Brevet FR2491702A1 — publié le 19820409

Perfectionnements aux circuits de récupération des fréquences porteuse et rythme dans les systemes de transmission La présente invention concerne les circuits de récupération de la fréquence porteuse ou de la fréquence rythme dans les systèmes de transmission et elle trouve des applications particulièrement importantes dans les systèmes de transmission utilisant la modulation de fréquence ou de phase pour la récupération de la fréquence porteuse, et dans les systèmes de transmission numérique dont le signal comporte des transitions numérictues, pour la récupération de la fréquence rythme. On connait déjà de nombreux types de circuits de récupération de fréquence porteuse ou de rythme. Le brevet FR 76 30684, publié sous le nO 2 367 387, décrit de tels circuits qui comportent un oscillateur commandé à ondes élastiques de surface. Ces oscillateurs sont d'un coût élevé , ils ont une gamme de fonctionnement limitée à la gamme comprise entre 100 MHz et 600 MHz environ. Si une liaison est établie en plusieurs bonds, les dérives des oscillateurs locaux des relais s'ajoutant, il est à craindre que la stabilité de l'oscillateur à quartz de l'équipement d'extrémité soit trop importante pour poursuivre la fréquence incidente. Une solution couramment utilisée pour récupérer la fréquence porteuse ou la fréquence rythme dans un système de transmission numérique consiste à utiliser un circuit comportant une boucle de verrouillage de phase dans laquelle est inséré un oscillateur à fréquence réglable par une tension de commande. Comme le rappelle déjà le brevet nO 2 367 387, auquel on pourra se reporter, la démodulation cohérente dans un système de transmission numérique à modulation par déplacement de phase à 2, 4, 8 ou 16 états rend nécessaire la génération d'une onde locale de référence en phase avec la porteuse du système de transmission ou avec le signal en fréquence intermédiaire en l'absence de modulation. Pour cela, on procède à la multiplication de la fréquence du signal reçu par 4 dans un système à 4 états où la phase peut prendre les valeurs 0, #/2, #, 3Tr/2,pour éliminer toute modulation en ramenant la phase à 2 K7r avec K = n, 1, 2 ou 3 quel crue soit le déplacement de phase à la modulation. Ce filtrage à bande étroite débarrassant le signal de la modulation est effectué par une boucle à verrouillage de phase du second ordre dans laquelle un signal à la même fréquence que le signal d'entrée apparait à la sortie de l'oscillateur commandé en tension. Un tel circuit de récupération de porteuse dans un système de transmission numérique avec démodulation cohérente est montré sur la figure 1 ; il reçoit sur son entrée 28 un signal y1 (t) constitué par une porteuse modulée à N états de phase y1 (t) = A sin /2F0t + 2#{Fot + #i (t) + fi(t)#e (t)] avec Fg : fréquence centrale de la porteuse. et #i(t) = i 2# N avec i = 0 à N - 1. Le terme #i(t) représente la modulation de la phase de la porteuse et le terme Cette e (t) tient compte du bruit de phase et de la différence de fréquence entre la porteuse et l'oscillateur de la boucle. Le signal y1 (t) est multiplié en fréquence par N dans le multiplicateur 21. Le signal de sortie y2 (t) du multiplieur est appliqué sur l'entrée 25 du modulateur 22 qui reçoit sur son autre entrée 26 un signal y4 (t) élaboré par une boucle à verrouillage de phase du second ordre. Le signal u1(t) de sortie du modulateur 22 est appliqué à un filtre passe-bas 23 qui élimine les composantes supérieures. Le signal filtré et amplifié par 27,u2(t),est appliqué à un oscillateur 20 commandé en fréquence par la tension u2(t). La fréquence nominale de l'oscillateur 20 est celle du signal y1(t). Cette fréquence est multipliée par N dans le multiplicateur 24 et le battement des signaux y2 (t) et y4 (t) dans le modulateur 22 donne le signal u1(t). A la sortie 29 de l'oscillateur 20, dont la fréquence est commandée par la tension u2, apparait un signal y3 (t) à la même fréquence que le signal Y1 (t) filtré et non modulé. Les signaux qui apparaissent dans le circuit ont l'expression suivante Signal à la sortie du multiplicateur de fréquence 21 y2 (t) = B sin [2#NFot + Né(t)~/ (2) Signal issu de l'oscillateur 20 y3 (t) = C cos Z 27rFot + f5(t) 7 (3) Signal à la sortie du multiplicateur de fréquence 24 y4 (t) = D cos / [2#NFot + N# s (t) (4) s - Le modulateur 22 est en général un modulateur en anneau qui effectue le produit des signaux y2 et y4 et constitue un comparateur de phase. Le produit comporte des termes à la fréquence 2 NFo qui doivent etre éliminés par le filtre passe-bas de boucle 23. Une solution classique pour constituer une boucle du second ordre est d'utiliser un filtre actif passe-bas de type RC avec correction, du genre montré en figure 2. Ce filtre comporte un amplificateur 127 précédé d'une cellule RC constituée de résistances de valeurs R1 et R2 et d'une capacité C . La fonction de transfert d'un tel filtre 23 est F (a1) = G (1 + JOT2) / (1 + jw1) (5) OÙ T1 = (R1 + R2)C et T2 = R2 C, le gain de l'amplificateur étant G. La mise en oeuvre de cette solution classique se heurte à des difficultés importantes, qui apparaissent lorsqu'on analyse les impératifs à atteindre. - En récupération de porteuse dans un système de transmission numérique, la boucle agit comme un filtre à bande étroite et il faut obtenir une bande équivalente de bruit minimale. Mais le fait de diminuer la bande de bruit,à gain de boucle donné, entraîne une diminution de la plage d'acquisition de la boucle. - La fréquence libre de l'oscillateur 20 commandé par tension ne peut pas etre parfaitement stabilisée lorsque la température varie. Une valeur courante de la dérive est de l'ordre de 300 ppm/ C. Si l'écart de fréquence AFo entre la fréquence libre de l'oscillateur 20 et la fréquence 1 du signal d'entrée devient supérieure à la plage d'acquisition, il n'y ancra plus d'accrochage de la boucle du second ordre.De plus, lorsque l'acquisition a eu lieu, une variation de la fréquence libre de l'oscillateur 20 entraine une variation Af de la phase de la porteuse récupérée y3 (t) donnée par la relation - N1 arc sin AK (6) Cette variation de phase entraine une dégradation du signal modulé en transmission numérique. Il y a donc intérêt à avoir le gain de boucle maximal, ce qui conduit à augmenter le gain G de 1 'amplificateur. Mais d'autres phénomènes interviennent alors et limitent l'augmentation du gain : du fait que les constantes de temps parasites interviennent et modifient l'ordre de la boucle, des instabilités peuvent apparaitre si le gain est excessif. I1 peut même ne plus y avoir d'acquisition possible. L'invention vise à fournir un circuit-de récupération de fréquence porteuse ou rythme répondant mieux que ceux antérieurement connus aux exigences de la pratique, notamment en ce qu'il comporte un filtre de boucle permettant de tolérer les dérives de l'os- cillateur commandé en tension. Dans ce but, l'invention propose notamment un circuit de récupération de la fréquence porteuse ou rythme dans les systèmes de transmission, comportant:une boucle de verrouillage de phase comportant un comparateur de phase qui reçoit sur une entrée le signal reçu par le circuit et, sur l'autre entrée, la sortie d'un oscillateur commandé en tension; et un filtre de boucle, caractérisé en ce que le filtre est à au moins deux chemins parallèles traitant chacun une partie du spectre des fréquences reçues par le filtre. Le nombre de chemins sera généralement de 2, dont l'un est destiné à traiter la composante continue du signal d'erreur. Ce dernier comportera généralement un filtre passe-bas et un amplificateur de gain élevé par rapport au gain de l'autre chemin. Cet autre chemin peut également comporter un amplificateur, mais il sera plus fréquemment constitué simplement par un atténuateur à résistances. Dans l'application de l'invention à la récupération de la fréquence porteuse dans un système de transmission à N déplacements de phase, le circuit sera complété par un multiplicateur par N de la fréquence reçue avant application au comparateur de phase et par un multiplicateur par N de la fréquence de l'oscillateur avant application de cette fréquence au comparateur. Dans l'application de l'invention à la récupération de la fréquence rythme dans un système de transmission numérique, utilisant typiquement un codage NRZ, le circuit sera complété par un circuit de détection des transitions du signal reçu avant application au comparateur de phase et généralement par un monostable. L'invention est évidemment susceptible de très nombreuses applications. On peut notamment citer, à titre d'exemples, les systèmes de faisceaux hertziens numériques, pour lesquels on a choisi la modulation par sauts de phase. Alors que les solutions classiques de récupération de porteuse ne permettent pas d'envisager une sécurité suffisante de transmission, les caractéristiques du circuit suivant l'invention s'adaptent à cette application. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit de circuits qui en constituent des modes particuliers de réalisation, donnés à titre d'exemples non limitatifs, et de la comparaison qui en est faite avec des circuits antérieurement connus. La description se réfère aux dessins qui l'accompagnent, dans lesquels - la figure 1, déjà mentionnée, est un schéma de principe montrant un circuit de récupération de fréquence porteuse suivant l'art antérieur, pour système de transmission à modulation par déplacement de phase à N états - la figure 2 est un schéma de principe montrant une constitution connue du filtre de boucle du circuit de la figure 1 - la figure 3 est un schéma de principe montrant un filtre de boucle suivant l'invention, incorporable dans le circuit représenté sur la figure 1 - la figure 4 est un schéma montrant un mode de réalisation suivant l'invention d'une boucle de verrouillage de phase destiné à un système Ce transmission à modulation par déplacement de phase ;; - la figure 5 est un schéma de principe mon trant une constitution possible d'un circuit de récupération de fréquence rythme dans un système de transmission numérique. Dans un premier mode de mise en oeuvre de l'invention, le circuit de récupération de porteuse dans un système de transmission numérique à démodu lation cohérente représenté en figure 1 comporte, dans la boucle à verrouillage de phase, un filtre 23a à bande étroite du signal débarrassé de la modulation qui consiste en deux chemins parallèles, comme représenté sur la figure 3. Ce filtre 23a, qui se substitue au filtre 23, comporte deux voies qui reçoivent l'une et l'autre le signal u1(t). Une des voies est constituée par un amplificateur 30 de gain G1. L'autre voie comporte un filtre passe-bas 31 de type RC suivi d'un amplificateur 32 de gain G2. Les signaux de sortie des amplificateurs 30 et 32 sont ajoutés dans un sommateur 33 qui délivre la tension u2. L'amplificateur 32 n'agit que sur la composante continue du signal d'erreur : il peut donc avoir un gain G2 élevé et une bande passante réduite. Il pourra être constitué par un amplificateur opérationnel de type courant. Le gain G1 de l'amplificateur 30, qui intervient dans l'amplification des composantes alternatives, sera beaucoup plus faible que G2. La fonction de transfert du filtre 23a est G 2 F(ù3) = G1 + ~~~~~~~ avec T = RC (7) 1 + jT ce qui peut encore s'écrire Cette expression est équivalente à celle donnée par la formule (5), pour un filtre classique du type RC avec correction, à condition de poser T1 = T G1 T = T ~~~~~~ G1 + G2 On va maintenant faire apparaître les caractéristiques d'un circuit de récupération de porteuse utilisant ce filtre, de façon à les comparer à celles d'un circuit classique, en supposant que la condition suivante est vérifiée (ce qui est le cas général) KOT 9 G avec Ko = K1 K2 G1 G1 +G2 G2 et G = G= G1 Dans ce cas, les caractéristiques de la boucle sont les suivantes - Pulsation propre (Kg étant exprimé en Hz) - Coefficient d'amortissement - Bande équivalente de bruit : BN # Tr N Kg - Plage d'acquisition : AFacq # Kg 5 - Déphasage statistique A# - 1/N arc sin #F/KoG - Déphasage statistique: A A N KoG On constate que la plage d'acquisition est indépendante de la constante de temps T et ne dépend que du gain des amplificateurs. Lorsau'on s'est fixé la bande équivalente de bruit BN, on peut obtenir la plage d'acquisition désirée en ajustant le gain de l'amplificateur G2. On voit que le circuit présente l'avantage de ne pas entrainer de dégradation du signal démodulé dans le cas où l'écart de fréquence entre la porteuse modulée et l'oscillateur libre de la boucle est relativement important et atteint quelques %. En conséquence, on peut éviter l'emploi de dispositifs d'aide à l'acquisition relativement complexes et coû- teux. Il faut remarquer que la contrainte que constitue la nécessité d'une bande équivalente de bruit faible entraine seulement le choix d'un gain de boucle K0 = K1 K2 G1 faible, en général très inférieur au produit K1 K2. Dans ce cas, le gain G est inférieur à 1 : l'amplificateur G1 est alors en fait un atténuateur. La figure 4 montre, à titre d'exemple non limitatif, une réalisation possible d'un circuit de récupération de porteuse incorporant un filtre de boucle à chemins parallèles conforme au schéma de la figure 3. Sur la figure 4, les organes correspondant à ceux déjà représentés portent, pour plus de simplicité, le même numéro de référence. Le circuit utilise un oscillateur COLPITTS classique, si ce n'est qu'il est à fréquence commandée par tension. Le circuit d'accord de l'oscillateur est constitué par une self 35 et une diode VARICAP 34 à jonction hyperabrupte (de type MV 1404 par exemple). Ce type de diode permet d'obtenir une réponse fréquencetension linéaire pour une tension inverse comprise entre 5 et 7 volts environ. L'écart de fréquence b F peut donc s'écrire = = K2 (v3 - v4) v3 et v4 étant les potentiels aux points indiqués sur la figure 4. Les deux voies du filtre de boucle 23a comportent - l'une un filtre actif incorporant un amplificateur opérationnel 32 de gain G2, - l'autre, un atténuateur à deux résistances 36 et 37 de valeurs R5 et R6. La tension obtenue en sortie du comparateur de phase 22 étant désignée par u1, la tension V3 à la sortie de l'amplificateur 30 en parallèle avec un circuit constitué d'une résistance R3 et d'une capacité C3 sera: v3 = - G2 ui / (1 + jwT3) avec 13 = R3 C3 et G1 l R3/R4 Quant å la tension v4 à la sortie de l'atté- nuateur à résistances, elle sera V4 = G1 u1 avec G1 = R6/ (R5 + R6) La tension de commande v3 - V4 appliquée à la diode VARICAP 34 est donc u2 = v3 4 = - (G1 + 1+ jwT3) u1 et la fonction de transfert F(w) du filtre F(w) = - (G1 + 1 + G2 3 Dans ce montage, la sommation des signaux obtenus à la sortie de l'atténuateur et du filtre actif est réalisée simplement en appliquant les tensions en opposition de phase aux deux bornes de la diode VARICAP. Le signal de sortie y3(t) est récupéré sur l'une des sorties d'un diviseur de puissance 38 dont l'autre sortie alimente le multiplicateur de fréquence 24. Les autres composants du circuit peuvent être classiques. A titre d'exemples, on appliquera maintenant les résultats précédents à deux cas particuliers, correspondant à un signal respectivement modulé à 4 et 8 états de phases, dans les deux cas avec une fréquence centrale de la porteuse modulée égale à 100 MHz et une dérive possible de l'oscillateur de la boucle de t 1 MHz dans toute la gamme de température de fonctionnement. 1. Récunération de la porteuse d'un signal modulé à 4 états de phase à un débit de 34 Mbits/s La bande équivalente de bruit BN nécessaire pour ne pas entrainer de dégradation du signal démodulé doit être de l'ordre de 1/50éme du débit. On choisira B N 50T = 680 kHz La phase d'acquisition désirée est #F = 1,5 MHz acq On déduit des formules précédentes Ko = 54 kHz et G = 1953. On suppose de plus que la pente de l'oscillateur est égale à K2 = 20 MHz/volt et que la sensibilité du comparateur de phase est K1 = 0,2 V/rd. On en déduit les gains des amplificateurs de filtre de boucle G1 = 0,0135 et 1 G2 = 26,4 On constate que le gain G2 peut parfaitement être réalisé avec un amplificateur opérationnel du type courant. La constante de temps T doit être choisie telle que T 0,036 sec. L'écart de phase ## dû à un écart de fréquence de 1 MHz entre la porteuse et l'oscillateur non verrouillé est : 0,13 d , donc négligeable. 2. Récupération de la porteuse d'un signal modulé at 8 états de phase à un débit de 70 Mbit/s. On se fixe les caractéristiques suivantes - Bande équivalente de bruit : BN = 100T = 0Z7 MHz - Plage d'acquisition : AF = - 1,5 MHz acq On en déduit Ko = 27,8 kHz et G = 1455 Avec K1 = 0,2 V/rd et K2 = 20 MHz/volt, on en déduit G1 = 6,95.10 G2 = 10,1 La condition K0T > G entraîne I## t 0,05 sec. L'écart de phase A Dans un second mode de mise en oeuvre de l'invention, celle-ci est appliquée à un circuit de récupération de la fréquence rythme d'un système de transmission numérique. Le circuit, représenté en figure 5, utilise encore une boucle à verrouillage de phase. Le signal d'entrée y1 est constitué par un train numérique binaire, typiquement NRZ, chaque état binaire ayant une durée déterminée T. Le circuit comporte une porte "OU EXCLUSIF" d'entrée 50 qui reçoit le signal y1 directement sur une entrée, par l'intermédiaire d'un circuit RC sur l'autre. Chaque transition du signal binaire produit, en sortie de la porte 50-, une impulsion qui est mise en forme par un monostable 51. On obtient ainsi une suite d'impulsions de durée T,/2 dont le spectre contient une composante à la fréquence rythme, d'amplitude liée à la probabilité des transitions du signal binaire. Ce signal est appliqué à une boucle à verrouillage de phase du second ordre 52 qui fournit un signal à la fréquence rythme, synchrone avec le signal binaire incident. La boucle 52 a une constitution similaire à celles déjà décrites : elle comporte un modulateur en anneau 55, un filtre 56 et un oscillateur command par tension 57 à la sortie duquel apparait la fréquence rythme f = 1/T. Conformément à l'invention le filtre 56 est à chemins parallèles traitant chacun une partie du spectre des fréquences et peut notamment avoir l'une des constitutions décrites plus haut Revendications 1. Circuit de récupération de la fréquence porteuse ou de rythme dans les systèmes de transmission, comportant une boucle de verrouillage de phase comportant un comparateur de phase (22 ou 55) qui reçoit, sur une entrée, le signal reçu par le circuit et, sur l'autre entrée, la sortie d'un oscillateur (20 ou 57) commandé en tension et un filtre de boucle (23 ou 56), caractérisé en ce que le filtre est à au moins deux chemins parallèles traitant chacun une partie du spectre des fréquences reçues par le filtre. 2. Circuit suivant la revendication 1, caractérisé en ce que l'un des chemins comporte un filtre passe-bas (31) et un amplificateur (32) de gain élevé par rapport au gain de l'autre chemin (ou des autres chemins). 3. Circuit suivant la revendication 2, caractérisé en ce que l'autre chemin (30) ou l'un des autres chemins est constitué par un atténuateur à résistances (36,37). 4. Circuit suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'oscillateur commandé comporte un circuit d'accord à diode VARICAP (34). 5. Circuit, suivant l'une quelconque des revendications précédentes, de récupération de la fréquence porteuse dans un système de transmission numérique à N déplacements de phase, caractérisé en ce qu'il comporte de plus un multiplicateur par N (24) de la fréquence de l'oscillateur (20) avant application au comparateur (22). 6. Circuit, suivant l'une quelconque des revendications 1 à 4, de récupération de la fréquence rythme dans un système de transmission numérique, caractérisé en ce qutil comporte de plus un circuit de détection des transitions (50) du signal reçu avant application au comparateur de phases (55).