Brevet FR2476947A1 — publié le 19810828

L'invention se rapporte-aux systèmes de télécom- municationstransmettant des informations numériques et a plus particulièrement pour objet un dispositif de modulation numérique "linéaire" (comportant un modula- teur linéaire pour le signal de modulation) et un émet- teur hertzien comportant un tel dispositif. Pour la transmission radioélectrique des informa- tions numériques, le train numérique peut âtre transmis en bande de base ou en modulant une. onde sinusoïdale porteuse. Dans ce dernier cas, plusieurs types de modu- lation sont possibles, mais le plus utilisé pour la transmission radioélectrique est une modulation par dé- placement de phase qui se révèle être plus résistante au bruit et de mise en oeuvre plus facile que les autres types de modulation à états discrets. Dans les émetteurs hertziens à modulation numéri- que conçus jusqu'à présent, la modulation est effectuée par un modulateur saturé soit sur une porteuse inter- médiaire, la porteuse modulée étant ensuite transposée en SHF (ondes centimétriques), soit directement en SHF. Dans le premier cas, en plus du mélangeur d'émis- sion, nécessaire à la transposition en SHF et de l'os- cil ateur local correspondant, un filtre passe-bande doit âtre prévu après le modulateur de façon à limiter la bande à transmettre. Ce filtre à fréquence inter- médiaire est coûteux et quelquefois difficile à réali- ser,mais il a l'avantage d'être le même pour tous les émetteurs, quelle que soit la fréquence d'émission du canal utilisé. Dans le second cas, lorsque la modulation est effectuée directement sur la porteuse SHF, le nombre de circuits nécessaires est plus faible (plus de mélan- geur d'émission et un seul oscillateur local), mais comme dans le premier cas un filtre passe-bande doit être prévu après le modulateur pour limiter la bande à transmettre. De plus, dans ce cas, le filtre doit être calculé ou réglé pour chaque fréquence d'émission. En- fin le filtre SHF, qui doit être à bande étroite est coûteux et doit être compensé en température. L'invention propose un dispositif de modulation numérique, utilisable dans les émetteurs-hertziens, dans lequel la modulation numérique est effectuée di- rectement en haute fréquence (SHF), qui évite l'utili- sation d'un oscillateur à fréquence intermédiaire et d'un mélangeur d'émission, et qui cependant ne néces- site que l'utilisation de filtres non sélectifs, le modulateur utilisé étant linéaire en ce qui concerne les signaux modulants. Suivant l'invention,-un dispositif de modulation numérique comportant: un oscillateur local ayant une sortie de signal d'oscillation locale; un modulateur ayant une entrée de signal d'oscillation locale con- nectée à la sortie de l'oscillateur, au moins une entrée de modulation, et une sortie de signal modulé; et un discositif de codage ayant une entrée de signal numéri- que et au moins une sortie de signal numérique codé, est caractérisé en ce que la sortie de signal numérique coot du dispositif de codage est reliée à l'entrée de modulation du modulateur par un circuit filtre passe- bas, le modulateur étant un modulateur symétrique li- néaire pour le signal de modulation. L'invention a également pour objet un émetteur hertzien comportant un tel dispositif de modulation - numérique. L'invention sera mieux comprise et d'autres carac- téristiques apparaîtront à l'aide de la description qui suit en référence aux figures annexées. La figure 1 représente un schéma synoptique des dispositifs de modulation numérique connus; La figure 2 représente un schéma synoptique d'un dispositif de modulation selon l'invention; La figure 3 est un diagramme des signaux en diffé- rents points de ce dispositif de modulation et les spectres de fréquences associées La figure 4 est un schéma d'un modulateur selon l'invention pour une modulation à quatre états de phase; La figure 5 est un schéma d'un mode de réalisa- tion, en technique intégrée microélectronique, d'une partie du dispositif de modulation selon l'invention; La figure 6 représente en coupe le substrat 100 de la figure 5 au niveau d'une transition ligne à ruban- ligne à fente. La figure 1 représente schématiquement les dispo- sitifs de modulation numérique utilisés actuellement dans les émetteurs hertziens. Ils comportent principalement un oscillateur 1 à la fréquence de la porteuse à moduler, c'est-à-dire à FI ou à SHF, alimentant un modulateur de phase 2, saturé par le signal de modulation; le signal de modulation appliqué au modulateur saturé est le signal numérique codé par le dispositif de codage 3. La porteuse modulée est ensuite filtrée dans un filtre passe bande 4. Dans le cas o la modulation est effectuée sur une porteuse SHF, le signal à transmettre est le signal de sortie du filtre 4. Lorsque la modula- tion est effectuée sur une porteuse à fréquence inter- médiaire, la transposition est obtenue au moyen d'un mélangeur 5 recevant également un signal d'oscillation locale SHF d'un oscillateur 6. Le mélangeur 5 et l'os- cillateur 6 ont été représentés en pointillés sur la figure 1. Le modulateur saturé, 2, qui, pour une modulation à quatre états de phase, utilise toujours des diodes successivement bloquées et saturées par le signal modu- lant, peut avoir différentes structures. Ce peut être un modulateur à différence de chemins utilisant des cir- culateurs ou des anneaux hybrides, ou un modulateur de type parallèle. Les modulateurs à différence de chemins sont avantageux en ce qui concerne les pertes qui sont fai- bles, mais ont l'inconvénient d'être très sélectifs du fait que les différences de chemins sont des fractions de longueur d'onde de la porteuse et que l'erreur de phase peut être importante dès que l'on travaille à des fréquences qui ne sont plus très hautes. Cette erreur peut atteindre par exemple + 100 à 2GHz pour un écart de 250MHz par rapport à la fréquence pour laquelle a été calculée la différence du chemin. Le second type de structure possible est la struc- ture dite parallèle dans laquelle la porteuse est sépa- rée en deux composantes en quadrature appliquées à deux voies en parallèle dans lesquelles chaque composante subit-ou non un déphasage supplémentaire en fonction de l'état de deux trains numériques modulants appli- qués dans chaque voie, les deux composantes étant en- suite recombinées dans un coupleur O'. Un tel type de modulateur, utilisant par exemple des modulateurs en anneaux introduit des pertes intrinsèques auxquelles doivent être ajoutées les pertes des lignes mais n'a pas l'inconvénient de la sélectivité. La figure 2 représente le schéma synoptique du dispositif de modulation selon l'invention. Le dispositif comporte un oscillateur 10 à la fréquence de la porteuse à moduler, c'est-à-dire à la fréquence SHF, et un dispositif de codage 30. Le mo- dulateur 20 est un mélangeur symétrique linéaire pour le signal modulant, ce signal modulant étant le signal de sortie du dispositif de codage 30 filtré dans un filtre passe-bas 40. Le signal de sortie du mélangeur symétrique 20 est la porteuse modulée SHF limitée en bande, la bande du signal de sortie du filtre passe-bas 40 ayant été transposée en SHF par le mélangeur symé- trique tout en gardant la modulation. Il est indispen- sable dans ce dispositif de modulation que le mélangeur ne soit pas saturé par le signal modulant. En effet, dans le cas contraire,. le spectre du signal modulé serait à nouveau étendu et un filtrage passe bande redeviendrait nécessaire à la sortie du modulateur avant les circuits d'émission. En conséquence, pour que le spectre ne soit pas perturbé, le modulateur doit rester linéaire pour le signal modulant et doit donc fonctionner avec des si- gnaux numériques d'amplitude faible. La figure 3 représente les signaux en différents points du dispositif de modulation et les spectres de fréquences correspondants. Le signal NC(t) est le signal numérique N(t), codé à deux niveaux. L'enveloppe des amplitudes des raies du spectre correspondant AN(FI, F étant la fré- quence,varie suivant une courbe *en $in x Le signal NF(t) est le signal numérique filtré issu du filtre passe-bas. 40. L'enveloppe du spectre correspondant ANF(F) est la même que celle du signal NC(t) pour les fréquences inférieures à la fréquence de coupure du filtre FC Le signal PM(t) est la porteuse SHF modulée par le signal NF(t), le spectre APM(F) étant le spectre de NF(t) transposé autour de la fréquence porteuse SHF, FP. Une analyse fine de ce signal PM(t) permet de montrer qu'une modulation de phase apparaît sur la porteuse modulée pour les transitions du signal numéri- que codé. La figure 4 est un schéma d'un mode de réalisa- tion du dispositif de modulation suivant l'invention pour une modulation 'de phase à 4 états. Le modulateur est du type mélangeur double symétrique, linéaire pour le signal modulant et a une structure du type parallèle. Il est réalisé avec des éléments discrets. Pour une modulation à 4 états de phase, le dis- positif de codage 3 fournit'à partir de la suite de symboles 0,1 à transmettre, deux trains numériques A et B contenant respectivement les symboles de rang pair et les symboles de rang impair, ces deux trains modu- lant en phase deux ondes porteuses en quadrature, qui sont ensuite recombinées pour l'obtention de la porteu- se modulée. Le modulateur comporte donc un coupleur 3dB à déphasage de I, 21, recevant le signal P(t) à la fré- quence porteuse de l'oscillateur local 10. Ce coupleur 21 partage la puissance qu'il reçoit par parties égales PA(t) et PB(t) entre deux voies tout en déphasant de g une composante par rapport à l'autre. Ces signaux. sont respectivement appliqués'à une première entrée de deux mélangeurs symétriques,22 et 23,dont les deuxièmes entrees reçoivent respectivement les trains numériques NFe NFA et NFB après filtrage par les filtres passebas respectivement 41 et 42. Ces mélangeurs comportent chacun deux chemins parallèles comportant chacun une diode, respectivement D et D2, par ailleurs relies aux bornes d'une bobine-d'inductance L1 dont le point. milieu est relié à la masse. Les'diodes D1 et D2 sont montées tête bgche. Une seconde bobine L2 recueille le signal résultant du mélange du signal à fréquence por- teuse-FP(t} et du signal numérique filtré, NFA(t) ou NFB(t) selon le chemin. Ces deux signaux sont ensuite 35. recombinés dans un coupieur 0 , 25, qui n'introduit pas de déphasage entre les deux voies. Cette structure est exactement semblable à celle d'un mélangeur double symétrique à réjection de la fré- quence image, tel que ceux qui peuvent être utilisés dans les récepteurs des faisceaux hertziens: la sortie signal SHF modulé est alors l'entrée de signal reçu, SHF modulé; l'accès oscillateur local SHF est alors l'accès oscillateur local FI; et l'entrée signal nu- mérique filtré est alors la sortie signal modulé à fré- quence intermédiaire, un filtre passe-bas coupant les fréquences SHF étant prévu sur chacun des bras de sor- tie correspondant (déphasés de 90 ). La figure 5 représente en plan un mode de réali- sation en microélectronique intégrée d'une partie du dispositif de modulation suivant l'invention, la technologie intégrée utilisée étant celle des guides d'onde à rubans (microstrip), des lignes à fentes, et des lignes coplanaires. La figure 6 représente une vue en coupe d'une partie du circuit intégré de la figure 5. Les mêmes éléments-ont été désignés par les mêmes repères sur ces deux figures. Le substrat 100 est constitué d'un matériau ayant une permittivité élevée du type titanate de magnésium ou alumine. Le guidage des ondes est obtenu dans ce substrat par des guides à rubans réalisés sur une face du substrat (recto) par métallisation d'un ruban, l'au- tre face (verso) qui constitue le plan de masse étant quasi-entièrement métallisée, le champ électrique étant alors dirigé suivant l'épaisseur du substrat. - Le guidage des ondes peut également être obtenu par des lignes à fente lorsque les impédances à réa- liser sont très élevées, car la largeur des guides à ruban correspondants serait très faible et difficile à réaliser. La transition entre un guide à ruban et une ou deux lignes à fente est obtenue par l'intermédiaire d'un trou métallisé. De plus, les capacités de découpla- ge et les diodes utilisées sont de préférence des compo- sants plas dits "beam lead" nmnolithiques, utilisables directe- ment sans apport d'autres éléments tels que connections et boitiers, et faciles à mettre en série entre deux lignes coplanaires, à rubans ou à fentes. La structure ainsi réalisée est représentée en plan sur la figure 5 o les éléments intégrés au recto ont été représentés en traits pleins, les éléments présents au recto ainsi que les zones démétallisées correspondant aux lignes à fente ayant été représentés en traits pointillés. A titre d'exemple, le coupleur 3dB, 21, a été réalisé en guide à ruban, la porteuse incidente P(t) étant divisée en deux composantes en quadrature PA(t) et PB(t). Le quatrième bras du coupleur est fermé par une charge R = 50..t Des capacités "beam lead" C1 et 2 sont disposées sur les guides à ruban de sortie du coupleur 21. Ces capacités permettent de découpler l'oscillateur local des signaux à basse fréquence que sont les signaux numériques filtrés NFA(t) et NF(t). Ces signaux sont appliqués aux bornes de connection 101 et 102 prévues sur le substrat et sont.transmis aux lignes à rubans par l'intermédiaire de filtres passe bas à 6 éléments microrubans, respectivement 103 et 104, isolant lés circuits de traitement numérique des hautes fréquences SHF. Des trous métallisés traversant le substrat, 105 et 106 permettent la transition entre les lignes à ruban et les doubles lignes à fente. La figure 6 qui montre en coupe le substrat au niveau du trou 105, suivant la direction de propagation dans la ligne à ruban, permet de mieux comprendre le mode de couplage. Ce couplage par trou métallisé entou- ré, au verso du substrat, d'une double ligne à fente circulaire 108 permet de diviser l'onde incidente en deux composantes, des diodes plates D1 et D2 étant ap- pliquées entre l'anneau central métallisé, 109, et le plan de masse 110, en travers des lignes à fentes et te- te-bêche. Le signal émergeant est transmis dans la lig-e à fente de sortie, 111, qui permet de recombiner les deux parties de l'onde résultant du mélange PA(t) et NFA(t). Le second bras du mélangeur double est exacte- ment semblable au premier et les deux ondes porteuses modulées par les signaux numériques filtrés NFA(t) et NF (t) sont recombinées dans un coupleur 0' réalisé suivant la même technique, un trou métallisé 107 per- mettant le couplage des ondes transmises par les lignes à fente des deux bras de sortie de chaque mélangeur symétrique à une ligne à ruban de sortie formant la sortie du mélangeur double symétrique. L'invention n'est pas limitée aux circuits pré- cisément décrits et, pour une modulation de phase à deux états, un dispositif de modulation qui comporte un mélangeur symétrique simple comportant une entrée de signal et une entrée d'oscillation locale et un filtre passe-bas filtrant le signal de modulation avant de le mélanger au signal d'oscillation locale dans le mélangeur symétrique est du domaine de l'invention. De plus, le mélangeur symétrique peut âtre un mélangeur en anneaux classique. Pour une modulation à 2 états de phase, le dispositif de modulation comportera un mo- dulateur en anneaux, et pour une modulation à 4 états de phase,- le dispositif de modulation comportera un premier coupleur 3dB à déphasage de 900, deux bras comportant chacun un modulateur en anneaux, ces deux bras étant réunis dans un second coupleur. Le déphasa- ge entre les deux composantes de la porteuse, nécessai- re pour une modulation à 4 états, peut être également introduit après la modulation avant recombinaison dans le second coupleur. O REVENDICATION5 1. Dispositif de modulation numérique compor- tant: un oscillateur local ayant une sortie de signal d'oscillation locale; un modulateur ayant une entrée de signal d'oscillation locale connectée à la sortie de l'oscillateur, au moins une entrée de modulation, et une sortie de signal modulé; et un dispositif de coda- ge ayant une entrée de signal numérique et au moins une sortie de signal numérique-codé; caractérisé en ce que la sortie de signal numérique codé du dispositif de codage est reliée à l'entrée de modulation du modula- teur par un circuit filtre passe-bas, le modulateur é- tant un modulateur symétrique linéaire pour le signal de modulation. 2. Dispositif selon la revendication 1, carac- térisé en ce que, pour une modulation de phase à deux états, le dispositif de codage a une seule sortie et le dispositif de modulation a une entrée correspon- dante, le modulateur étant un mélangeur symétrique simple. 3. Dispositif selon la revendication 1, carac- térisé en ce que, pour une modulation de phase à quatre états, le dispositif de codage a deux sorties fournis- sant deux trains numériques, et le dispositif de modu- iation a deux entrées de modulation correspondantes, le modulateur étant un mélangeur double symétrique et comportant un séparateur sur l'entrée de signal d'os- cillation locale et un coupleur de sortie de signal modulé, un déphaseur % étant prévu sur l'un des deux bras du mélangeur double, un circuit filtre passe-bas étant disposé entre chaque sortie du dispositif de co- dage et l'entrée de modulation correspondante du mo- dulateur. 4. Dispositif selon la revendication 3, carac- 1 1 térisé en ce que le déphaseur 2 et le coupleur d'en- trée sont réunis en un coupleur à. 5. Dispositif selon l'une quelconque des reven- dications précédentes, caractérisé en ce que le modu- lateur comporte au moins un mélangeur à deux diodes. 6. Dispositif selon l'une quelconque des reven- dications précédentes, caractérisé en ce que le modu- lateur comporte au moins un mélangeur en anneau. 7. Dispositif selon la revendication 5, carac- térisé en ce que le modulateur est réalisé en techni- que intégrée microélectronique. B. Emetteur hertzien caractérisé en ce qu'il comporte un dispositif de modulation selon l'une quel- conque des revendications précédentes.