Brevet FR2502872A1 — publié le 19821001

La présente invention concerne un organe à boucle à verrouilla- ge de phase prévue pour la récupération de la porteuse dans des systèmes de transmission d'informations numériques et, notamment des systèmes de transmission MDP2 et MDP4. Les systèmes de modulation par déplacement de phase à deux états (MDP2) ou à quatre états (MDP4) sont couramment utilisés pour la transmission d'informations numériques. Un des organes essentiels du démodulateur cohérent, qui leur est associé, a pour fonction la récupération de la porteuse, c'est à dire la génération d'un signal périodique de même fréquence que le signal modulé et de phase constante. Ce signal, appelé "porteuse récupérée", sert de référence de phase locale. Pour obtenir la porteuse récupérée, on procède habituellement de la manière suivante. On applique le signal modulé de fréquence f, pour une fréquence nominale f, à un multiplicateur de fréquence par n, en choisissant n égal à 2 pour un signal MDP2 et égal à 4 pour un signal MDP4. Le multiplicateur délivre alors un signal exempt de modulation puisque les sauts de phase sont de en MDP2 et de /2 en MDP4, et que la multiplication les transforme en sauts de 2. Le signal de sortie du multiplicateur, que l'on désignera plus générale- ment dans la suite par signal de référence, est ensuite appliqué à l'entrée d'un filtre passe-bande centré sur la fréquence nf qui le débarasse du bruit qui l'accompagne. Le signal de sortie du filtre passebande se compose d'un signal sinusoïdal de fréquence nf, plus un bruit de phase d'écart type n, que l'on peut rendre négligeable en choisissant un filtre ayant une bande passante relativement étroi- te. Le signal filtré est ensuite appliqué à un diviseur de fréquence par n qui délivre un signal de fréquence f, accompagné d'un bruit de phase En pratique, la récupération de porteuse effectuée comme on vient de le décrire est difficile car, pour réduire suffisamment 9 on est amené à une bande passante si étroite pour le filtre que le signal de fréquence nf se trouve lui aussi rejeté dès que f s'écarte un peu de sa valeur nominale f. Cette difficulté est classiquement résolue en remplaçant le filtre par une boucle de verrouillage de phase. L'organe de récupération de porteuse comprend alors un oscil- lateur local commandé en tension, dont la fréquence de repos est nf, un comparateur de phase dont une entrée reçoit le signal de sortie de l'oscillateur local et l'autre entrée le signal de sortie du multipli- cateur par n, un filtre passe-bas dont l'entrée reçoit le signal d'erreur délivré à la sortie du comparateur, et un amplificateur dont l'entrée reçoit le signal de sortie du filtre et dont la sortie est reliée à l'entrée de commande de l'oscillateur. Le filtre passe-bas élimine une grande partie du bruit qui accompagne le signal d'erreur. On peut montrer qu'une boucle de verrouillage du second ordre, comportant un filtre passe-bas du premier ordre, permet d'obtenir un filtrage étroit du signal de sortie du multiplicateur, tout en conservant une plage de variation de la fréquence f du signal modulé suffisante. En général, la plage de variation possible pour f est limitée par la plage d'accrochage de la boucle, dont la valeur est dix à cent fois plus grande que la bande équivalente de bruit de la boucle. A titre d'exemple, on a représenté à la Fig. 1 le schéma d'un organe de récupération de porteuse utilisable pour les modulations MDP2 et MDP4. Il comprend un multiplicateur par deux 1 dont l'entrée est reliée à l'entrée de signal modulé E, un inverseur 2 dont l'entrée est reliée à la sortie du multiplicateur 1 et dont une sortie "2" est reliée à l'entrée d'un filtre passe-bande 3 et l'autre sortie "4" à l'entrée d'un multiplicateur par deux 4. La sortie du diviseur 4 est reliée à l'entrée d'un filtre passe-bande 5. La sortie des filtres 3 et 5 sont respectivement reliées aux entrées "2" et "4" d'un inverseur 6 dont la sortie est reliée à la première entrée d'un comparateur de phase 7. La sortie du comparateur 7 est reliée à l'entrée d'un filtre passe-bas 8 dont la sortie est reliée à l'entrée d'un amplificateur 9 dont la sortie est reliée à l'entrée de commande d'un oscillateur local commandé en tension 10. La sortie de l'oscil- lateur 10 est reliée, d'une part, à l'entrée "4" d'un inverseur 11 et, d'autre part, à l'entrée d'un diviseur par deux 12. La sortie du diviseur 12 est reliée, d'une part, à l'entrée "2" de l'inverseur 11 et, d'autre part, à l'entrée d'un diviseur par deux 13 dont la sortie délivre la porteuse récupérée. La sortie de l'inverseur 11 est reliée à la seconde entrée du comparateur 7. Pour traiter un signal à modulation MDP2, les inverseurs 2, 6 et 11 sont commandés pour relier leur entrée commune à leur sortie "2" et réciproquement et, pour traiter un signal à modulation MDP4, ils sont commandés pour relier leur entrée commune à leur sortie "4" et réciproquement. Donc, quand les inverseurs sont en position "2", le multiplica- teur 1 fournit, à travers l'inverseur 2, le filtre passe-bande 3 et l'inverseur 6, le signal de référence R au comparateur de phase 7. Le filtre 3, centrée autour de 2f 0, de bande passante légèrement supé- rieure au double de la plage de variation de f, soit 2 f max' laisse passer le signal de référence et élimine une partie du bruit présent à la sortie du multiplicateur 1, de façon à limiter la puissance de bruit à l'entrée du comparateur de phase 7. L'ensemble de l'oscil- lateur 10, commandé en tension et de fréquence centrale 4f0, et du diviseur par deux 12 est équivalent à un oscillateur commandé en tension de fréquence centrale 2f. On retrouve donc la boucle de o verrouilage classique. Le diviseur par deux 13 délivre la porteuse récupérée. Quand les inverseurs sont en position "4", les deux multiplica- teurs 1 et 4 assurent la multiplication par quatre du signal entrant et le multiplicateur 4 applique, à travers le filtre passe-bande 5 et l'inverseur 6, le signal de référence R au comparateur 7. Le signal de sortie de l'oscillateur 10 est appliqué directement au comparateur 7. La division de fréquence par quatre de la sortie de l'oscillateur est assurée par les deux diviseurs 12 et 13. Le filtre 5 est centré sur 4f et sa bande passante est au moins égale à 8 f. Il apparaît que les filtres 3 et 5 sont situés avant le comparateur de phase 7, c'est à dire en dehors de la boucle de verrouillage. Il en résulte que le déphasage que l'un ou l'autre de ces filtres introduit sur le signal de référence R affecte la porteuse récupérée. On peut estimer ce déphasage. Par exemple, le filtre 3 introduit un retard 1 qui est approximativement constant dans la bande passante 4 f max tel que: 2/ 1 1 4f 2 f max max Le signal R se trouve donc retardé d'une quantité R/S égale à 1.On a donc un déphasage OR/S qui est fonction de l'écart réel f qui existe entre f et sa valeur nominale f, tel que: OR/S 2 f R/S o 2 f R/S 2 fmax 0R/S f-ax Dans le cas le plus défavorable, pour f = max' on a un déphasage OR/S voisin de 1 radian. Une telle erreur de phase est prohibitive et ne peut être compensée simplement. On ne peut donc employer des filtres trop sélectifs en amont de la boucle de verrouillage, ce qui entraîne l'application d'une puissance de bruit importante au- comparateur-de phase. Il en résulte que le gain et le fonctionnement de la boucle sont perturbés. En particulier, dans le cas de certaines trans- missions numériques par satellites, le rapport signal à bruit de la liaison est très faible, c'est à dire voisin de 1, si bien que l'on ne peut utiliser le montage de la Fig. 1. Un objet de la présente invention consiste à prévoir, dans un organe de récupération de porteuse pour signal à modulation MDP2 ou MDP4, une boucle de verrouillage à laquelle est appliqué le signal de référence et qui permet d'éviter les inconvénients de la technique antérieure. Un autre objet de-l'invention consiste à prévoir une boucle de verrouillage fonctionnant sans commutation aussi bien avec un signal à modulation MDP2 qu'avec un signal à modulation MDP4. Suivant une caractéristique de l'invention, il est prévu un organe de récupération de porteuse comportant des moyens pour multi- plier le signal reçu par deux ou par quatre, selon que ledit signal reçu est à modulation MDP2 ou MDP4, lesdits moyens multiplicateurs délivrant le signal de référence, et une boucle de verrouillage comprenant un oscillateur commandé en tension, un diviseur de fréquen- ce dont l'entrée est reliée à la sortie de l'oscillateur et dont la sortie est reliée à la seconde entrée d'un comparateur dont la sortie est reliée à l'entrée de commande de l'oscillateur, dans laquelle la fréquence centrale de l'oscillateur est égale à trois fois la fréquen- ce nominale f du signal modulé reçu, la sortie de l'oscillateur étant reliée à une entrée d'un mélangeur dont l'autre entrée reçoit le signal de référence et dont la sortie est reliée à la première entrée du comparateur de phase, le diviseur de fréquence étant un diviseur par trois, dont la sortie délivre la porteuse récupérée, des filtres passe- bandes identiques à fréquence centrale égale à f étant o respectivement prévus entre la sortie du mélangeur et la première entrée du comparateur de phase, et entre la sortie du diviseur par trois et la seconde entrée dudit comparateur de phase. Les caractéristiques de l'invention mentionnées ci-dessus, ain- si que d'autres, apparaîtront plus clairement à la lecture de la des- cription suivante d'exemples de réalisation, ladite description étant faite en relation avec les dessins joints, parmi lesquels: la Fig. 1 est un bloc-diagramme d'un organe de récupération de porteuse qui illustre l'état de la technique, la Fig. 2 est un bloc-diagramme d'un organe de récupération de porteuse comprenant une boucle de verrouillage suivant l'invention, la Fig. 3 est un schéma plus détaillé d'un mode de réalisation de la boucle de verrouillage de la Fig. 2, et la Fig. 4 est un bloc-diagramme d'une variante de l'organe de récupération de porteuse de la Fig. 2. A la Fig. 2, un multiplicateur par deux 14 a son entrée reliée à l'entrée de signal modulé E et sa sortie reliée à l'entrée d'un inverseur 15 dont une sortie est reliée à une entrée d'un second inverseur 16 et l'autre sortie à l'entrée d'un second multiplicateur par deux 17. La sortie du multiplicateur 17 est reliée à l'autre entrée de l'inverseur 16. Cette partie de l'organe est très semblable à celle de l'organe de la Fig. 1 qui comprend 1, 2, 5 et 6, mais o les filtres passe-bandes 3 et 5 ont été supprimés. Le signal délivré par l'inverseur 16 constitue le signal de référence R, non filtré. La sortie de l'inverseur 16 est reliée à la première entrée d'un mélangeur 18 dont la sortie est reliée à l'entrée d'un filtre passe-bande 19 de fréquence centrale f. La sortie du filtre 19 est reliée à la première entrée d'un comparateur de phase 20 dont la sortie est reliée à l'entrée d'un filtre passe-bas 21. La sortie du filtre 21 est reliée à l'entrée d'un amplificateur 22 dont la sortie est reliée à l'entrée de commande d'un ocillateur commandé en tension 23 dont la fréquence centrale est 3f. La sortie de l'oscillateur 23 est reliée, d'une part, à la seconde entrée du mélangeur 18 et, d'autre part, à l'entrée d'un diviseur par trois 24 dont la sortie est reliée à l'entrée d'un filtre passe-bande 25 dont la sortie est reliée à la seconde entrée du comparateur 20. Par ailleurs, la sortie du diviseur 24 est reliée à la sortie PR qui délivre la porteuse récupérée. Si le signal appliqué à l'entrée E est à modulation MDP2, les inverseurs 15 et 16 appliquent directement à l'entrée du mélangeur 18 le signal de sortie du multiplicateur par deux 14, c'est à dire un signal de fréquence 2f. Comme le mélangeur 18 reçoit à sa seconde en- trée un signal de fréquence 3f délivré par l'oscillateur 23, il délivre, entre autres, un signal RT à la fréquence f. Le filtre 19 de fréquence centrale f a une bande passante de 8 f x qui lui permet de sélectionner le battement utile du signal délivré par le mélangeur et de filtrer une grande partie du bruit. Le filtre passe-bande 25 est choisi identique au filtre 19 de façon à introduire un retard égal à celui qu'à subit le signal délivré par le mélangeur 18. Le comparateur 20 mesure alors bien le déphasage entre le signal RT et la porteuse récupérée PR retardée convenablement. Si le signal appliqué à l'entrée E est à modulation MDP4, les inverseurs 15 et 16 commutent le multiplicateur par deux 17 entre 14 et 18. Le signal appliqué à la première entrée du mélangeur 18 a donc une fréquence 4f. Ce signal mélangé avec le signal de fréquence 3f délivré par l'oscillateur 23 donne encore à la sortie de 18 un signal à la fréquence f. On retrouve après la sortie de 18 le même fonctionnement que précédemment. On peut démontrer que la boucle de verrouillage qui comprend les circuits 18 à 25, Fig. 2, est équivalente à la boucle de verrouillage de l'organe de la Fig. 1, aussi bien en modulation MDP2 qu'en modulation. MDP4, à condition que l'oscillateur 23 utilisé ait un gain égal au 3/4 de celui de l'oscillateur 10 de la Fig. 1. Dans cette démonstration, on néglige l'influence des retards des filtres 19 et 25. On peut également démontrer que si, d'une part, les filtres 19 et 25 sont à phase minimale et, d'autre part, ne sont pas trop raides, c'est à dire que le nombre de pôles de la fonction de transfert du passe-bas équivalent est inférieur ou égal à trois, le retard qu'ils introduisent n'a qu'une faible incidence sur la plage d'accrochage et aucune influence sur les autres paramètres importants de la boucle de verrouillage.- Les filtres 19 et 25, qui sont identiques, sont plus faciles à réaliser que les filtres 3 et 5 de l'organe de la Fig. 1 qui sont différents, car la fréquence centrale de 19 et 25 est au moins deux fois plus faible pour une même bande passante. Cela permet d'y utiliser des composants de coefficient de qualité plus faible, donc moins chers. Comme la porteuse récupérée est prélevée en amont du filtre 25, il n'y a pas de retard, dû au préfiltrage, entre le signal appliqué à 18 et la porteuse récupérée. On a donc ainsi éliminé le déphasage catastrophique que l'on constatait dans les organes de la technique antérieure. Enfin, il n'y a plus de commutateur dans la boucle de ver- rouillage proprement dite, si bien que la boucle a les mêmes caracté- ristiques pour la modulation MDP2 que pour la modulation MDP4. La Fig. 3 représente un exemple de réalisation de la boucle de verrouillage de'la Fig. 2, prévu pour faire partie d'un démodulateur cohérent pour liaison par satellites pour laquelle le signal reçu est à la fréquence nominale de 70 MHz, avec un écart de - 50 kHz, après transposition en fréquence intermédiaire. La boucle de verrouillage., de la Fig. 3 est précédée des éléments 14 à 17 de la Fig. 2, si bien que le signal appliqué à la première entrée du mélangeur 18 peut être à 140 MHz pour un signal en modulation MDP2 ou à 280 MHz pour un signal en modulation MDP4, ces signaux étant exempts de sauts de phase, mais accompagnés d'un bruit de puissance environ dix fois supérieure à celle du signal utile. Le mélangeur 18 a sa seconde entrée reliée à la sortie de l'oscillateur 23, par un diviseur de puissance 26 à deux sorties. La seconde sortie du diviseur de puissance 26 est reliée, par un condensateur de liaison Cl, en parallèle aux entrées H de deux bascules Bl et B2. La sortie Q de la bascule B1 est reliée, d'une part, à l'entrée D de la bascule B2 et, d'autre part, à la masse par une résistance Rl. La sortie Q de la bascule B2 est reliée, d'une part, à l'entrée du filtre 25 par l'intermédiaire d'un condensateur de liaison C2 et, d'autre part, à la masse par une résistance R2. Les sorties Q des bascules B1 et B2 sont, d'une part, reliées en parallè- le à l'entrée D de la bascule B1, d'autre part, à la masse par une résistance R3 et, enfin, à l'entrée d'un filtre passe-bande 27 dont la sortie est reliée à l'entrée d'un amplificateur de puissance 28. Les entrées H des bascules B1 et B2 sont polarisées par un diviseur de tension constitué par deux résistances R4 et R5 montées en série entre une source de polarité et la masse, le point commun à R4 et R5 étant relié auxdites entrées H. La sortie du mélangeur 18 est reliée à l'entrée du filtre pas- se-bande 19 dont la sortie est reliée à la première entrée du compara- teur de phase 20, par l'intermédiaire d'un amplificateur 29. La sortie du filtre passe-bande 25 est reliée à la seconde entrée du comparateur de phase 20, par l'intermédiaire d'un amplificateur 30. La sortie du comparateur 20 est reliée, d'une part, à la masse par la résistance de charge R6 et, d'autre part, à l'entrée du filtre actif 31 dont la sortie est reliée à l'entrée de commande en tension de l'oscillateur 23. Les filtres passe-bandes 19 et 25 sont identiques, comme on l'a mentionné plus haut, et centré sur 70 MHz, avec une bande passante à 1 dB égale à 500 kHz. Les amplificateurs 29 et 30 sont également identiques et ont un gain de 30 dB. Les bascules Bl et B2 forment, avec leurs résistances de charge associées RI à R3 et leurs résis- tances d'entrée R4 et R5, le diviseur par trois 24 de la Fig. 2. Le filtre actif 31 comprend une résistance d'entrée série R7 reliée à l'entrée inverseuse d'un amplificateur opérationnel 32 dont la sortie est reliée à son entrée, d'une part, par une résistance R8 et, d'autre part, par un circuit série comprenant un condensateur C3 et une résistance R9. Le filtre 31 a les caractéristiques suivantes: - gain constant, égal à 200 de la fréquence 0 à la fréquence 0,7 Hz, - pente égale à 6 dB/octave de 0,7 Hz à 14 kHz, et - gain constant, égale à 10 à partir de 14 kHz. La porteuse PR récupérée est prélevée sur une sortie auxiliaire du diviseur par trois, soit la sortie Q de la bascule B2. Le filtre passebande 27 est un filtre en avec, dans la branche série trois condensateur C4 à C6, dans la première branche d'entrée, un condensa- teur C7 et une inductance LI et, dans la branche parallèle de sortie, un condensateur CS et une inductance L2. L'amplificateur de puissance 28 a un gain de 18 dB et porte la porteuse récupérée au niveau de puissance requis par le démodulateur. Dans la variante d'organe de récupération de porteuse de la Fig. 4, on retrouve les circuits 14 à 22 de la Fig. 2, montés d'une manière identique. La sortie de l'amplificateur 22 est reliée à l'entrée de commande d'un oscillateur commandé en tension 32 dont la fréquence centrale est f. La sortie de l'oscillateur 32 est reliée, d'une part, à l'entrée d'un multiplicateur de fréquence par trois 33, d'autre part, à l'entrée d'un filtre passebande 25, et, enfin à la sortie PR qui délivre la porteuse récupérée. La sortie du multiplica- teur 33 est reliée à la seconde entrée du mélangeur 18 et la sortie du filtre 25 est reliée à la seconde entrée du comparateur de phase 20. L'oscillateur 32 est centré sur la fréquence f et délivre, à sa sortie, un signal à la fréquence f. Donc, le multiplicateur 33 applique au mélangeur 18 un signal à la fréquence 3f. On retrouve donc le fonctionnement de l'organe de la Fig. 2. REVENDICATIONS 1) Organe de récupération de porteuse pour signal à modulation MDP2 ou MDP4, comportant des moyens pour multiplier le signal reçu par deux ou par quatre, selon que ledit signal reçu est à modulation MDP2 ou MDP4, lesdits moyens multiplicateurs délivrant le signal de référence, et une boucle de verrouillage comprenant un oscillateur commandé en tension, un diviseur de fréquence dont l'entrée est reliée à la sortie de l'oscillateur et dont la sortie est reliée à la seconde entrée d'un comparateur dont la sortie est reliée à l'entrée de commande de l'oscillateur, caractérisé en ce que la fréquence centrale de l'oscillateur (23) est égale à trois fois la fréquence nominale f0 du signal modulé reçu, la sortie de l'oscillateur (23) étant reliée à une entrée d'un mélangeur (18) dont l'autre entrée reçoit le signal de référence et dont la sortie est reliée à la première entrée du comparateur de phase (20), le diviseur de fréquen- ce (24) étant un diviseur par trois, dont la sortie délivre la porteuse récupérée, des filtres passe-bandes identiques (19, 25) à fréquence centrale égale à f étant respectivement prévus entre la sortie du mélangeur (18) et la première entrée du comparateur de phase (20), et entre la sortie du diviseur par trois (24) et la seconde entrée dudit comparateur de phase (20). 2) Organe de récupération de porteuse suivant la revendication 1, caractérisé en ce que des amplificateurs identiques (29, 30) sont montés respectivement entre lesdits filtres passe-bandes (19, 25) et le comparateur de phase (20). 3) Organe de récupération de porteuse, suivant l'une des reven- dications 1 ou 2, caractérisé en ce qu'entre la sortie du comparateur de phase (20) et l'oscillateur (23), sont montés en série un filtre passe-bas et un amplificateur. 4) Organe de récupération de porteuse, suivant l'une des reven- dications 1 à 3, caractérisé en ce que l'oscillateur (23) est remplacé par un oscillateur (32) de fréquence centrale égale à la fréquence nominale f suivi d'un multiplicateur de fréquence par trois (33) dont la sortie est reliée à l'entrée correspondante du mélangeur (18), la sortie dudit oscillateur (32) délivrant directe- ment la porteuse récupérée.