Brevet FR2510324A1 — publié le 19830128

L'invention concerne un procédé de démodulation d'un signal modulé en fréquence, dans lequel on fait passer ledit signal par un circuit de déphasage et on effectue au moyen d'un multiplieur le produit du signal présent à l'en- trée et du signal présent à la sortie dudit circuit de déphasage. Elle concerne également un démodulateur pour un signal modulé en fréquence, comportant un circuit multi- plieur et un Circuit de déphasage, une entrée du circuit multiplieur étant relié à une entrée du circuit de dépha- sage et une autre entrée du circuit multiplieur étant reliée à une sortie de ce même circuit de déphasage. Des signaux modulés en fréquence sont utilisés fré- quemment dans la transmission d'un son ou d'une image, en radiodiffusion et en télévision Un problème particulier est posé en télévision parce que la bande passante est plus étendue qu'en radiodiffusion En particulier dans le cas de la télévision transmise par un satellite, on utilise une porteuse image modulée en fréquence par la vidéofréquence, mais également modulée en fréquence par deux sous-porteuses de son dont les fréquences sont écartées de 5,5 et 5,75 M Hz de celle de la porteuse image La modulation en fréquence en question nécessite une bande passante utile de 27 M Hz. La fréquence intermédiaire choisie étant de 134 M Hz, la largeur de bande relative est de 27 134, soit 20 % (alors qu'en radiodiffusion, elle est d'environ 200 K Hz pour 10 7 M Hz, soit à peine 2 %) Quand la linéarité de la démodula- tion est insuffisante, des produits d'intermodulation appa- raissent en particulier entre les deux sous-porteuses de son à 5,5 et 5, 75 M Hz Ceci entraîne l'apparition, dans le spectre de la vidéofréquence démodulée, d'une raie à 250 k Hz ainsi que d'autres raies parasites résultant du battement des deux sous-porteuses de son avec la sousporteuse de chrominance du signal vidéofréquence, en produisant sur l'i- mage des moirures très gênantes Pour obtenir une qualité d'image satisfaisante, il est nécessaire que la non-linéarité soit inférieure à 0, 4 % dans une bande passante relative d'au moins 16 %. -2- Un procédé de démodulation de fréquence connu consis- te à effectuer le produit du signal à fréquence intermé- diaire par ce même signal ayant traversé un circuit dépha- seur Ce procédé est décrit par exemple dans l'ouvrage "Le récepteur à modulation de fréquence" de Jean CERF, aux édi- tions CHIRON, pages 125-127. Pour de faibles largeurs de bande passante, un cir- cuit déphaseur composé de deux circuits couplés, avec éven- tuellement un circuit auxiliaire accordé sur la fréquence centrale et couplé au deuxième circuit, donne une linéarité acceptable Pour élargir la Jande passante, il faut amortir les circuits oscillants, ce qui diminue la sensibilité du démodulateur et, malgré tout, on ne peut guère dépasser une largeur de bande relative de 5 % avec la linéarité souhaitée. De tels circuits donnent donc de très mauvais résultats dans l'application de télévision en question. Un but de l'invention est de fournir un procédé de démodulation et un démodulateur qui procurent une très bonne linéarité dans une bande passante large. Un autre but de ltinvention est de fournir un tel procédé et un tel démodulateur qui procurent une sensibilité élevée. L'invention repose sur l'idée que certains filtres en échelle possédant un temps de retard de groupe faible et constant, ou à ondulation uniforme, peuvent être utilisés non pas en tant que filtres mais en tant que déphaseurs dans un tel montage de démodulation. Un procédé selon l'invention est ainsi notamment remarquable en ce qu'on utilise en tant que circuit de dépha- sage au moins une cellule parmi une pluralité de cellules d'un filtre passe-bande en échelle, et en ce qu'on relie directement la sortie de ce circuit de déphasage au circuit multiplieur. L'avantage de ce procédé est qu'il permet d'obtenir une excellente linéarité de la démodulation dans une bande passante importante. -3- Avantageusement, on utilise un tel filtre passe- bande choisi dans la famille des filtres dits gaussions. Cette famille est définie comme celle des filtres dont la réponse en impulsion est exempte de rebondissement et est symétrique par rapport à l'instant o la réponse est maxi- male A première vue, il semble que la réponse en impulsion n'a pas beaucoup d'importance en ce qui concerne le traite- ment d'un signal alternatif permanent Mais, pour qu'un filtre ait les propriétés qui viennent d'être définies en impulsion, il est nécessaire que sa réponse en phase soit linéaire, ce qui permet d'obtenir dans un démodulateur une linéarité excellente à condition que le multiplieur soit également linéaire. De plus, le signal démodulé issu du multiplieur est fonction de la différence de surface entre les arches posi- tives et les arches négatives d'un signal plus ou moins carré S'il y a des rebondissements, ceux-ci ne sont pas identiques pour les arches positives et pour les arches négatives puisque celles-ci n'ont pas toujours la même lar- geur, et ces rebondissements vont introduire des différen- ces de surface imprévisibles entre les deux arches, d'o une dégradation de la linéarité de la démodulation Selon un perfectionnement particulièrement intéressant, on utilise un filtre passe-bande gaussien du type à ondulation uniforme du temps de retard de groupe Ceci présente l'avantage que l'on peut obtenir une bande passante utile plus large, avec le même nombre de cellules, en conservant une variation de phase, et donc une démodulation, quasi linéaire. Un démodulateur selon l'invention est notamment remarquable-en ce que le circuit de déphasage est constitué par au moins une cellule parmi une pluralité de cellules d'un filtre passe-bande en échelle, et en ce que la liaison entre la sortie de ce circuit de déphasage et l'entrée cor- respondante du circuit multiplieur est directe Un tel démo- dulateur a l'avantage d'être très linéaire dans une bande passante importante. -4- Avantageusement, le circuit de déphasage est cons- titué par un nombre de cellules inférieur au nombre total de cellules du filtre Ceci permet, au moyen des réflexions au travers de la ou des cellules inutilisées, d'optimiser la courbe de déphasage et d'obtenir une meilleure linéarité. Une réalisation particulière comprend quatre cellu- les en échelle, et la sortie du signal déphasé se fait après la première cellule Cette réalisation permet d'obte- nir une bonne linéarité et son réglage est facile à effec- tuer. Dans une forme de réalisation, une cellule du filtre comporte un condensateur dans une branche sérieet une in- ductance en parallèle avec un condensateur dans une branche shunt Cette configuration, qui est très simple, permet d'obtenir la courbe de déphasage désirée moyennant le choix de valeurs adéquates pour les composants. La description qui va suivre, en regard des dessins annexés décrivant des exemples non limitatifs, fera bien comprendre comment l'invention peut être réalisée. La figure 1 représente schématiquement un démodula- teur selon l'invention. La figure 2 illustre, au moyen de diagrammes, le fonctionnement d'un circuit multiplieur. La figure 3 illustre la relation entre la fréquence et le déphasage apporté par un filtre de la famille des filtres dits gaussiens. La figure 4 représente schématiquement la constitu- tion d'un filtre utilisé dans un démodulateur selon l'in- vention. La figure 5 représente le schéma d'un circuit multi- plieur utilisé dans un démodulateur selon l'invention. La figure 6 illustre la qualité des résultats obtenus par un démodulateur selon l'invention. Selon la figure 1, un démodulateur pour un signal modulé en fréquence comporte un circuit multiplicateur 13 et un circuit de déphasage 12, une entrée 17 du circuit multi- plieur étant reliée à une entrée 18 du circuit de déphasage, -5 - et une autre entrée 19 du circuit multiplieur étant reliée à une sortie 10 de ce même circuit de déphasage. Un procédé de démodulation consiste à introduire sur la borne 15 un signal modulé en fréquence, ce signal étant limité en amplitude (écrêté) par le limiteur 11, puis à faire passer ce signal par le circuit de déphasage 12 et à effectuer, au moyen du multiplicateur 13, le produit du signal présent à l'entrée 18 et du signal présent à la sor- tie 10 dudit circuit de déphasage Le signal issu du multi- plieur 13 est ensuite filtré dans un filtre passe bas 14 et est disponible sur la borne 16 Le limiteur 11 et le filtre 14 sont bien connus de l'homme du métier. La figure 2 illustre le fonctionnement du circuit multiplieur Les signaux référencés 21 ou 23 sont suscepti- bles d'être présents au point 10 de la figure 1, et le signal référencé 20 aux points 17 et 18 de cette même figure 1 Le multiplieur se comporte comme un permutateur commandé par le signal 20: selon la polarité de ce signal 20, le signal 21 est transmis tel quel ou, au contraire, inverse. La sortie de ce circuit fournit donc le signal 22. Le passage par un filtre passe bas (représenté avec la référence 14 sur la figure 1), agissant comme un inté- grateur, transforme le signal 22 en un signal 39 dont l'am- plitude est proportionnelle à la différence des surfaces -25 hachurées 26 et 27 Si le signal 22 est parfaitement écrêté, ces surfaces sont proportionnelles à la largeur des créneaux et l'amplitude du signal 39 varie linéairement avec le déphasage entre les signaux 20 et 21 pour des valeurs de ce déphasage comprises entre O et It radians Si l'on sait réaliser un circuit déphaseur parfaitement linéaire en fonc- tion de la fréquence du signal, on disposera d'un démodula- teur linéaire Le déphasage obtenu par les circuits couplés de l'art antérieur n'est malheureusement pas dans ce cas. Mais il existe des filtres, qui sont habituellement réservés au traitement des impulsions de radar, dont le temps de retard de groupe reste constant, dans une certaine plage de fréquences, afin de ne pas déformer les impulsions Or, un -6- temps de retard de groupe constant implique un déphasage variant linéairement avec la fréquence. Avec un tel filtre, les harmoniques des fréquences à démoduler sont atténués ou quasi supprimés et le signal, sensiblement carré issu du limiteur devient presque sinu- so Idal à la sortie du filtre, ainsi que représenté en 23. Alors, le signal issu du multiplieur aurait, avec un multi- plieur parfait, l'allure représentée en 24 et le signal intégré par le filtre passe bas serait proportionnel à la -10 différence des surfaces hachurées 28 et 29, et serait donc une fonction sinusoïdale du déphasage avec une valeur zéro pour un déphasage de 'î/2 radians, et des valeurs minimale et maximale pour un déphasage de, respectivement, O et a radians En pratique, le multiplieur présente des seuils de saturation et le signal qui en sort a, en réalité, l'allure indiquée en 25 plutôt que celle indiquée en 24 De ce fait, la variation de la tension de sortie du multiplieur en fonction du déphasage est intermédiaire entre celles pro- duites par les signaux 21 et 23, et plutôt proche de celle produite par le signal 21 Il s'agit donc d'une variation linéaire légèrement déformée par une variation sinusoïdale. La figure 3 montre des courbes "phase-fréquence" d'un filtre passe bande en échelle de type dit gaussien La graduation horizontale représente jf L défini par _o J o a est la pulsation du signal traité, B 2 Bl o o l Bi et O 82 sont les pulsations des signaux pour une atténua- tion de 3 d B, à chaque extrémité de la bande passante, et = (O> La courbe étant symétrique autour de nô 0, on n'a représenté que la moitié droite La courbe 30 repré- sente une variation idéalisée parfaitement linéaire dans le cas d'une cellule présentant un pôle Mais un filtre ne peut 10324 -7- être gaussien en théorie que pour un nombre infini de cel- lules: la courbe 31 montre la variation de phase réelle pour un filtre à une cellule Sa convexité est tournée dans le bon sens pour compenser la composante sinusoïdale appor- tée par le multiplicateur, mais l'écart e avec la courbe 30 est excessif Les courbes 32 et 33 représentent la même variation mais pour un filtre à trois cellules La courbe 32 représente une variation idéale et la courbe 33 montre la variation réelle dans le cas particulier d'un filtre dit "à ondulation uniforme du temps de retard de groupe" avec un écart E qui change de signe Cette courbe est plus pro- che de celle désirée que la courbe 31 Ainsi que réprésen- tée en 34, elle peut également ne pas présenter de change- ment de signe de e dans le cas d'un filtre dit "à temps de retard de groupe constant" ("maximally flat group delay" en langue anglaise) ou filtre de BESSEL, mais la bande passan- te utile est alors moins large que pour la courbe 33 (cela n'apparaît pas sur la figure à cause de l'unité normalisée Ces courbes peuvent être déduites des courbes normali- sées de temps de retard de groupe présentées aux pages 93 et 95 de l'ouvrage "Handbook of filter synthesis" de Zverev, édité par WILEY & SONS en 1967 Comme il est indiqué ci- dessus, une courbe sensiblement linéaire ne peut être obte- nue que par un grand nombre de cellules Avec une telle courbe, il faut un multiplieur linéaire On peut éviter la déformation sinusoïdale de la courbe du multiplieur en lui fournissant un signal carré, c'est-à-dire en ajoutant un amplificateur limiteur entre le déphaseur et le multiplieur. Le problème est donc résolu en employant un filtre à grand nombre de cellules et en ajoutant un amplificateur-limiteur parfait Mais une telle solution est d'une grande complexi- té ' On a toutefois constaté qu'une courbe qui conduit à une très bonne correction sans ajouter d'amplificateur- limiteur est celle obtenue en prélevant le signal après la première cellule d'un filtre comportant trois ou quatre cel- lules On obtient alors une courbe intermédiaire entre les courbes 30 et 31 L'emploi de quatre cellules plutôt que -8- trois conduit à un réglage plus aisé, en permettant d'évi- ter des itérations dans le processus de réglage Dans le cas o on emploie quatre cellules, on peut également préle- ver le signal après la troisième cellule et obtenir des résultats satisfaisants. On utilise donc comme circuit de déphasage au moins une cellule parmi une pluralité de cellules d'un filtre passe-bande en échelle, et on relie directement la sortie de ce circuit de déphasage au circuit multiplicateur Par les mots "on relie directement", on entend qu'il n'y a pas d'amplificateur-limiteur entre ces deux éléments Un cir- cuit de déphasage d'un démodulateur est ainsi constitué par au moins une cellule parmi une pluralité de cellules d'un filtre passe-bande en échelle, et la liaison entre la sor- tie de ce circuit de déphasage et l'entrée correspondante d'un circuit multiplieur est directe Ledit filtre passe- bande est de la famille des filtres gaussiens, éventuelle- ment avec une ondulation uniforme du temps de retard de groupe, afin d'élargir la bande passante dans laquelle le déphasage est presque linéaire, et présente une déformation légère compensant celle du multiplieur. La figure 4 montre la structure d'un tel filtre en échelle Il comporte ici quatre cellules, et la sortie du signal déphasé se fait sur les bornes 8 après la première cellule constituée des composants 40, 44, 48 a Elle peut aussi se faire sur les bornes 9 après les trois premières cellules Le choix dépend de la forme d'onde à la sortie du limiteur et du comportement du multiplieur. Chaque cellule est constituée d'un condensateur 40, 41, 42, 43 dans une branche série, et d'une inductance 48 en parallèle avec un condensateur 44, 45, 46, 47 dans une branche shunt Le nombre de cellules constituant le dépha- seur, à savoir une ou trois cellules, est inférieur au nom- bre total de cellules du filtre (quatre cellules) On peut aussi, si le signal est prélevé en 8, supprimer les compo- sants 43, 48 d, 47, c'est-à-dire la quatrième cellule Dans l'ouvrage cité ci-dessus de Zverev, on trouve page 97 un Z 510324 tableau de valeurs permettant de calculer les éléments du filtre On a choisi dans ce calcul une erreur de phase de 0,5 et pour les inductances une surtension à vide de 70. Un jeu de valeurs conduisant à de bons résultats est le suivant: inductances 48: réglables autour de 200 n H condensateur 40: 2,7 p F condensateur 41: 6,8 p F condensateur 42: 3,9 p F condensateur 43: 2,7 p F condensateur 44: 3,3 p F condensateur 45: 2,2 p F condensateur 46: 3,3 p F condensateur 47: 4,7 p F résistances d'amortissement: 1,5 kn Dans le cas d'une sortie du signal sur les bornes 9, c'est-à-dire après la troisième cellule, les résistances d'amortissement doivent être augmentées et l'ajustage des inductances doit être modifié pour élargir légèrement la bande passante Au lieu de ramener à la masse les éléments shunt du déphaseur, on a préféré transposer en structure symétrique qui permet la connexion à des circuits actifs différentiels symétriques Le multiplieur est du type connu sous le nom de "multiplieur de Gilbert" Un tel circuit est décrit ainsi que son utilisation en détecteur de phase dans l'ouvrage "Analysis & Design of Analog Integrated Circuits" de GRAY et MEYER, édité en 1977 par WILEY & SONS, pages 563-566 et 570-575. Une réalisation particulière est représentée par la figure 5 Les éléments constituant le coeur du multiplieur de Gilbert sont les transistors montés en paires différen- tielles T 3-T 4, T 5-T 6 et T 7-T 8 Les ensembles T 9-R 9 et T 10- R 10 constituent des sources de courant pilotées par le réseau résistif R 13-R 14 relié à la borne 55 d'alimentation en tension La diode D 13 a un rôle de stabilisation en tem- pérature Les transistors Tll et T 12 montés en émetteurs suiveurs, charges par les sources de courant T 9 et T 10 pro- -10- curent une impédance d'entrée élevée pour les bornes d'en- trée différentielles 54 et 58, auxquelles sont appliqués les signaux issus des bornes symétriques 8 (ou 9) de la figure 4 Aux bornes 52 et 53 sont appliqués, en même temps qu'aux bornes d'entrée 7 de la figure 4, les signaux symé- triques issus du limiteur 11 de la figure 1 Des résistances R 3 et R 4 sont insérées dans les branches d'émetteur de T 3 et T 4 L'ensemble Rl-R 2-T 2-D 1 constitue une source de cou- rant stabilisée en température lorsqu'on relie la borne 51 à une source de tension de référence. Les valeurs des résistances sont R 9, R 1 O: 100 ohms R 13: il 000 ohms R 14 200 ohms R 3, R 4: 50 ohms Ri, R 2 150 ohms L'ensemble est avantageusement réalisé en circuit intégré, par exemple dans la technologie dite "subilo" de la Société "R.T C LA RADIOTECHNIQUECOMPELEC", avec une dimension uniforme de 3 micromètres pour les émetteurs des transis- tors. La figure 6 montre les résultats obtenus En ordon- nées, sont représentés les écarts de linéarité, et en abs- cisse la fréquence Les intervalles entre chacune des lignes horizontales représentent 1 % d'écart de linéarité, et les marqueurs hachurant la courbe sont écartés de 2 M Hz La zone dans laquelle l'ondulation de la courbe ne dépasse pas 0,4 % est d'environ 24 M Hz, soit 18 % de bande passante relative. Le but recherché est donc bien atteint Un réglage satisfai- sant est obtenu en agissant tour à tour et dans l'ordre sur un noyau de réglage des inductances suivantes: 48 a, 48 d, 48 a (à nouveau), 48 b, 48 c Le réglage correct est obtenu très rapidement Bien entendu, d'autres formes de réalisa- tion sont possibles et, en particulier, il existe des réseaux équivalents pour réaliser un même filtre avec des structures différentes, sans sortir du cadre de l'invention. -11- REVENDICATIONS - 1 Procédé de démodulation d'un signal modulé en fréquence, dans lequel on fait passer ledit signal par un circuit de déphasage, et on effectue au moyen d'un multi- plieur le produit du signal présent à l'entrée et du signal présent à la sortie dudit circuit de déphasage, caractérisé en ce qu'on utilise en tant que circuit de déphasage au moins une cellule parmi une pluralité de cellules d'un fil- tre passe bande en échelle, et en ce que l'on relie direc- tement la sortie de ce circuit de déphasage au circuit mul- tiplieur. 2 Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'on utilise un filtre passe bande de la famille des filtres dits gaussiens. 3 Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'on utilise un filtre passe bande du type à ondula- tion uniforme du temps de retard de groupe. 4 Démodulateur pour un signal modulé en fréquence, comportant un circuit multiplieur et un circuit de déphasa- ge, une entrée du circuit multiplieur étant reliée à une entrée du circuit de déphasage et une autre entrée du cir- cuit multiplieur étant reliée à une sortie de ce même cir- cuit de déphasage, caractérisé en ce que le circuit de dé- phasage est constitué par au moins une cellule parmi une pluralité de cellules d'un filtre passe bande en échelle, et en ce que la liaison entre la sortie de ce circuit de déphasage et l'entrée correspondante du circuit multiplieur est directe. Démodulateur selon la revendication 4, caractéri- sé en ce que le circuit de déphasage est constitué par un nombre de cellules inférieur au nombre total de cellules du filtre. 6 Démodulateur selon la revendication 5, caractéri- sé en ce qu'il comprend quatre cellules en échelle, et en -12- ce que la sortie du signal déphasé se fait après la première cellule. 7 Démodulateur selon l'une quelconque des revendi- cations 4 à 6, caractérisé en ce qu'une cellule du filtre comporte un condensateur dans une branche série, et une inductance en parallèle avec un condensateur dans une bran- che shunt.