Brevet FR2502871A1 — publié le 19821001

La présente invention concerne des systèmes de commu- tation et de combinaison de signaux et en particulier des systèmes à utiliser en liaison avec des installations de communication par radio utilisant un certain type d'émission et/ou de réception. Dans un système de communications par radio il est pos- sible que le signal émis soit atténué par la densité varia- ble de l'atmosphère, ou qu'une propagation multiple s'éta- blisse du fait d'une réfraction ou d'une réflexion en pro- duisant des parasites destructeurs, et qu'en conséquence le signal atteignant un récepteur soit beaucoup plus faible que cela n'avait été envisagé. De plus, les effets sont va- riables et conduisent au "fading" ou variation de l'intensité du signal reçu. Un tel problème se résout habituellement en employant un certain type de transmission en diversité dont on connaît deux formes courantes. La diversité spatiale compte sur le fait que le fading ne se produit pas en général simultanément sur deux trajets différents. Par conséquent un seul émetteur peut être utilisé pour émettre simultanément en direction de deux récepteurs éloignés l'un de l'autre ou plutôt de deux récepteurs ayant des systèmes d'antennes éloignés l'un de l'autre. Un commu- tateur de diversité est utilisé pour sélectionner le signal reçu qui sera le plus indépendant du bruit. La diversité des fréquences est basée sur le fait qu'au moins dans une certaine mesure les effets de fading seront différents sur des signaux émis à différentes fréquences. Par conséquent on utilise deux émetteurs pour transmettre la même information à deux récepteurs fonctionnant sur des fré- quences différentes. Là encore, un commutateur de diversité sélectionne le signal présentant le moins de bruit. Le commutateur de diversité doit commuter le signal reçu sans changement d'amplitude et sans perte des informations portées par le signal. On connaît différentes formes de com- mutateurs de diversité. Dans la plupart des cas, le commuta- teur sélectionne le signal ayant le plus grand rapport signal-sur-bruit si la différence entre les rapports signal- sur-bruit des deux signaux est supérieure à une quantité prédéterminée (généralement mesurée en décibels). Si les rapports signal-sur-bruit sont proches l'un de l'autre, alors les deux signaux peuvent être réellement combinés de diffé- rentes façons pour obtenir un signal de sortie ayant un rapport signalsur-bruit meilleur que ce qu'il est possible d'obtenir à partir d'un seul des signaux d'entrée à condition que les signaux appliqués au système de commutation soient cohérents et sensiblement en phase. Les commutateurs de diversité existants ont tous des inconvénients en particu- lier en ce qui concerne la fiabilité. La présente invention a pour objet de proposer un sys- tème de commutation et de combinaison des signaux utilisant un nouveau type perfectionné de commutateurs de diversité. Selon la présente invention, un système de commutation de signaux est proposé pour un système de communications par radio comprenant deux récepteurs délivrant chacun un signal de sortie radio cohérent et un signal de sortie proportionnel au rapport signal-sur-bruit du signal radio, les deux signaux radio étant sensiblement en phase et ayant sensiblement la même amplitude. Il est caractérisé par des moyensde comparaison capables de déterminer à un instant quelconque lequel des deux signaux radio est le plus indépendant du bruit, - des circuits à seuil capables de déterminer si à un instant donné la différence entre les deux rapports signal-sur-bruit dépasse un quelconque ou plusieurs parmi un certain nombre de niveaux de seuil prédéterminés, - des moyens de condition- nement répondant à la sortie des moyens de comparaison et des circuits à seuil pour former un ou plusieurs signaux de commande, - des moyens de commutation répondant aux signaux de commande pour connecter à une charge de sorties l'un ou l'autre des signaux radio dans un parmi plusieurs rapports prédéterminés et - un réseau d'adaptation relié aux moyens de commutation et prévu pour garantir que l'impédance élec- trique présentée à la charge de sortie et que la tension du signal radio appliquée à cette charge restent sensiblement constants. L'expression "les deux signaux radio étaient sensible- ment en phase et ayant sensiblement la même amplitude" est employée ici pour préciser que deux signaux doivent avoir des phases et des amplitudes suffisamment proches pour que toute perturbation du niveau du signal dans la charge de sortie au moment de la commutation reste dans les limites que les circuits quelconques suivants peuvent admettre. Les différences acceptables de phases et d'amplitudes ne peuvent donc pas être définies avec précisions et peuvent varier d'un cas à un autre. On va maintenant décrire une réalisation de l'invention en se référant aux dessins annexés dans lesquels: La figure 1 est un schéma de principe d'un système de commutation de signaux; La figure 2 est un schéma des circuits de comparaison et de seuil de la figure 1; La figure 3 est un schéma logique des moyens de condi- tionnement de la figure 1; La figure 4 est un schéma du circuit des moyens de com- mutation et du réseau d'impédance de la figure 1; La figure 5 illustre les états stables possibles des moyens de commutation; La figure 6 illustre les conditions transitoires possi- bles des moyens de commutation. En se référant maintenant à la figure 1 on peut voir le système de commutation des signaux et les deux récepteurs. Les récepteurs RA et % délivrent chacun un signal de sortie à fréquence radio qui est impliqué à un réseau de commutation et d'impédance SZ. Chaque récepteur délivre aussi une tension proportionnelle au rapport signal-sur-bruit à sa sortie, et cette tension est appliquée au circuit de comparaison et de seuil CT. Les sorties de ce circuit sont appliquées à un réseau de conditionnement GN qui délivre les signaux de commande du réseau de commutation et d'impédance Sz. La figure 2 représente les moyens de comparaison et de seuil. La tension proportionnelle au rapport signal-sur- bruit à la sortie du récepteur RA, désignée par VAest appli- quée à un réseau de compensation Ni et la tension correspon- dante venant du récepteur RB, désignée par VB' est appliquée à un réseau de compensation N2. Les sorties des deux réseaux sont appliquées à deux amplificateurs différentiels Ai et A2 le signal venant de chaque réseau étant appliqué en sens opposé aux deux amplificateurs. Les sorties des amplifica- teurs AI et A2 sont connectées à travers des diodes Dl et D2 et puis reliées ensemble et aux entrées inverseuses d'une autre paire d'amplificateurs différentiels A3 et A4 fonc- tionnant comme détecteurs à seuil.L'amplificateur A3 a une tension de référence désignée par V7 qui est égale à la tension sur l'entrée inverseuse qui représentera une diffé- rence de 7 dB entre les rapports signal-sur-bruit du récep- teur. L'amplificateur A4 est connecté de la même manière, avec une tension de référence V1.5 appliquée à son entrée non inverseuse. Cette tension est égale à ce qui représente une différence de 1,5 dB entre les rapports signal-sur-bruit. Un comparateur A5 reçoit sur ses deux entrées les sorties des amplificateurs Ai et A2. A la sortie de chacun des amplificateurs A3, A4 et A5 se trouve un circuit distinct qui délivre un signal capable de commander les moyens de conditionnement. Chacun de ces circuits est constitué d'une résistance, d'une diode et d'un transistor npn dont l'émetteur est relié à la masse et le collecteur est relié au moyen de conditionnement. Par consé- quent la sortie du circuit A3 délivre un signal L qui indique que la différence entre les deux rapports signal-sur-bruit incidents est supérieure ou inférieure à 7 dB, la sortie du circuit A4 délivre un signal M qui indique que la différence entre les rapports signal-sur- bruit incidents est supérieure ou inférieure à 1,5 dB et la sortie du circuit A5 délivre un signal N qui indique que le rapport signal-sur- bruit à la sortie du récepteur A est supérieur ou égal au rapport signal- sur-bruit à la sortie du récepteur B. Le circuit de la figure 2 fonctionne de la façon sui- vante: - Les sorties des deux réseaux de compensation Ni et N2 sont des tensions variant lentement (par rapport aux temps de commutation d'un relais) qui dépendent linéairement du rapport signal-sur-bruit existant à la sortie du récepteur correspondant. Puisque les deux sorties sont appliquées à l'amplificateur Ai, la sortie de l'amplificateur Ai est pro- portionnelle à la différence entre les entrées appliquées aux récepteurs RA et X mesurées en dBw. La sortie de l'amplifica- teur A2 a la même amplitude que celle de l'amplificateur Ai mais elle a un signe opposé. La sortie des diodes Dl et D2 et par conséquent l'entrée des amplificateurs A3 et A4 sera celle des sorties des amplificateurs Ai et A3 qui a un sens positif. Si, par exemple, la sortie du réseau Ni représente un rapport signal-surbruit à la sortie du récepteur A de 30 dB tandis que la sortie du réseau N2 représente un rapport signal-sur-bruit à la sortie du récepteur B de 22 dB, alors la sortie de l'amplificateur Ai représentera un signal de différence de -8 dB et la sortie de l'amplificateur A2 repré- sentera une différence de +8 dB. L'action des diodes Di et D2 consiste à appliquer la tension la plus positive, repré- sentant +8 dB, aux détecteurs à seuil A3 et A4 et par consé- quent la tension de sortie de chaque détecteur sera dans ce cas négative. Les transistors de sortie délivrant les signaux L et M seront donc en circuit ouvert ce qui correspond à une condition n1". Si les différences entre les rapports signal- sur-bruit tombent au-dessous de 7 dB et puis au-dessous de 1,5 dB, alors les circuits seront commutés à leur tour pour former une sortie de transistor en court circuit indiquant une condition "0". Avec les conditions initiales définies dans le paragra- phe précédent, le comparateur A5 reçoit un signal de -8 dB appliqué sur son entrée non inverseuse et un signal de + 8 dB appliqué à son entrée inverseuse. Donc, la sortie de l'amplificateur sera négative et le signal N sera aussi à l'état "1", ce qui indique que l'entrée du récepteur RA est supérieure à l'entrée du récepteur RB. Le signal N changera si le rapport signal-sur-bruit à la sortie du récepteur RB devient supérieur à celui qui se trouve à la sortie du récepteur RA- Les signaux L, M et N sont appliqués au réseau de conditionnement de la figure 3. Ce réseau est constitué de deux portes Gil et G2 et d'un inverseur I. La porte Gl est une porte ET à deux entrées recevant le signal M sur une entrée et le signal N sur l'autre entrée qui est une entrée d'inhibition. La sortie est un signal de commande de commu- tateur SA. La porte G2 est une porte NON-ET à deux entrées recevant les signaux M et N sur ses deux entrées. La sortie est un signal de commande de commutateur SB. Le signal L venant du circuit de la figure 2 est appliqué à travers un inverseur I pour former un signal de commande de commutateur SC. Dans l'exemple décrit ci-dessus o l'entrée dans le récepteur RA est supérieure à l'entrée dans le récepteur RB de plus de 7 dB, alors chacun des signaux L, M et N sera à l'état "1". Chacun des signaux de commande de commutateur SA, SB et SC sera alors à l'état "0" si bien qu'aucun des commutateurs ne sera déclenché. On verra que des changements d'état de l'un quelconque des signaux L, M et N se tradui- ront par la présence de différentes combinaisons des signaux de commande de commutateur SA, SB et SC. La figure 4 représente le montage de commutation et le réseau d'impédance du système. Les commutateurs sont repré- sentés sous forme de paires de contact commandées par exem- ple, par des relais, et chaque contact est présenté aveà le relais correspondant à l'état non excité ou libéré. Ceci se produit lorsque le signal de commande de commutateur corres- pondant est "0i. Chaque relais est présenté séparément de ses contacts, la désignation du relais, à savoir RLA, RLB et RLC étant associée aux contacts correspondants RLA1 et RLA2, RLB1 et RLB2, RLC1 et RLC2. En se reportant maintenant à la figure 4, on peut voir que des signaux d'entrée SRA et SRB sont appliqués depuis des récepteurs RA et RB respectivement, ces signaux étant les signaux radio venant des récepteurs. Chaque signal est connecté en fonction du dispositif de commutation à une charge de sortie OL. Le réseau d'impédance inclus dans la figure 4 montre les valeurs d'impédance par rapport à la charge désignée par Z. Le signal venant du récepteur A est appliqué au contact mobile des jeux de contacts RLA2, RLB1 et RLC1. Le signal venant du récepteur B est appliqué au contact mobile des jeux de contact RLA1, RLB2 et RLC2. Le contact fixe normale- ment fermé du jeu de contact RLA1 est relié au contact fixe normalement ouvert du jeu de contacts RLB1 et à une charge fictive DL d'impédance Z connectée à la masse du signal. Le contact fixe normalement fermé du jeu de contacts RLA2 est connecté au contact fixe normalement ouvert de RLB2, à la charge de sortie OL d'impédance Z et à travers une impédance égale à Z/3 à un point commun. Ce point commun est connecté à travers une impédance Z/3 au contact fixe normalement ouvert du jeu de contacts RLC1 et à travers une autre impédance de Z/3 au contact fixe normalement ouvert du jeu de contacts RLC2. On notera que les parties d'un jeu de contacts désignées respectivement par contact "mobile" et "fixe" peuvent être interchangées. La charge de sortie peut faire partie du système de communication utilisant les sorties des récepteurs ou peut faire partie d'un récepteur. Dans ce dernier cas, les éléments référencés ci-dessus comme des récepteurs peuvent ne représenter qu'une partie de ces éléments. Par exemple, la commutation peut être effectuée sur les signaux à moyenne fréquence à l'intérieur du récepteur avant la démodulation plutôt que sur les sorties dans la bande de base du récepteur. La figure 5 représente le fonctionnement du circuit de la figure 4, en représentant les cinq situations qui peuvent se présenter au cours du fonctionnement normal du système. La figure 5 (a) représente le cas o le signal venant d'un récepteur RA dépasse celui qui vient du ré- cepteur RB de plus de 7 dB. Comme on l'a déjà expliqué, dans ce cas, il n'y a aucun signal de commande de commuta- teur et les contacts des relais sont dans les positions représentées sur la figure 4. D'après la figure 5 (a), on peut voir que le signal SRA est directement appliqué à la charge tandis que le signal SRB est connecté à la charge fictive DL. Par conséquent, la tension aux bornes de la charge est celle qui est établie par le signal SRA. Si le signal SRA baisse par rapport au signal SRB, de façon à ce que la différence devienne inférieure à 7 dB, alors le signal de commande de commutateur SC est formé, et fait manoeuvrer le relais RLC. Ceci établit la situation présentée sur la figure 5 (b). Etant donné l'arrangement des impédances, la charge de sortie reçoit les deux tiers du signal SRA plus un tiers du signal SRB. Il s'agit donc d'une combinaison de rapport 2:1 en faveur du signal SRA. Si les intensités relatives de signaux sont à moins de 1,5 dB l'une de l'autre, alors un signal de commande de commutateur SB sera formé, que SRA soit supérieur ou inférieur à SRB. La figure 5 (c) présente cette situation dans laquelle la moitié de chaque signal est appliquée à la charge de sortie c'est-à-dire que l'on a une combinai- son de rapport 1:1. Lorsque le signal SRB devient plus intense que le signal SRA, la situation change à nouveau. Lorsque la différence entre les signaux atteint 1,5 dB, le signal de commande de commutateur SA est formé et le relais RLA est déclenché. La figure 5 (d) montre qu'il en résulte une combinaison de rapport 2:1 en faveur du signal SRB. La dernière condition correspond au cas o le signal SRB dépasse le signal SRA de plus de 7 dB. Ceci entraîne la disparition du signal de commande de commutateur SC et la libération du relais RLC. La figure 5 (e) montre que dans ce cas le signal SR, est directement appliqué à la charge tandis que le signal SRA est connecté à la charge fictive. La charge est donc commutée sur le signal SR. A condition que les signaux radio venant des deux récepteurs soient cohérents, sensiblement en phase et qu'ils aient une amplitude sensiblement égale, il n'y aura ni interruption ni modification notables de l'ampli- tude du signal appliqué à la charge de sortie. Il y aura des conditions de commutation transitoire possibles qui existent entre les cinq conditions stables successives présentées sur la figure 5. La figure 6 illustre certaines de ces conditions transitoires. Entre les conditions de la figure 5 (a) et celles de la figure 5 (b) se produira l'une ou l'autre des conditions illustrées sur les figures 6(a) ou 6(b). La condition effective dépend du commutateur qui est manoeuvré le premier. Dans le cas présenté sur la figure 6(a), le signal SRA est appliqué directement à la charge de sortie comme sur la figure 5 (a). La situation de la figure 6 (b) est celle dans laquelle le signal appli- qué à la charge de sortie est: 0,7 SRA + 0,3 SR A. L'amplitude totale reste inchangée. Les situations transitoires présentées sur les figures 6 (c) et 6 (d) sont celles qui peuvent exister entre les conditions des figures 5 (b) et 5 (c). Dans chacune de ces conditions transitoires, le signal appliqué à la charge est égal à SRA/2 et SRA/2. Des situations transitoires du même type peuvent exis- ter entre les conditions des figures 5 (c) et 5(d) et entre celles des figures 5 (d) et 5(e). Les rapports signal-sur-bruit en sortie des récepteurs tendent à changer relativement doucement étant donné que le fading est un phénomène généralement lent comparativement à la durée de commutation des relais. Ceci signifie que la durée de manoeuvre et de rebondissement des contacts d'un relais quelconque sera dépassée par le temps o le prochain relais sera appelé à fonctionner, donc un passage de l'application du signal SRA à la charge à l'application du signal SRB passera normalement par les états intermé- diaires présentés sur la figure 5. Ce n'est que si l'un des signaux disparaît du fait disons d'un défaut du récep- teur, qu'un changement interviendra avec risque de dispari- tion de l'information. Les valeurs de seuil de 1,5 dB et de 7 dB sont choisies pour renforcer le rapport signal-sur-bruit à la sortie du commutateur de combinaison des signaux qui est de très près comparable à celui de la combinaison à gain égal. C'est l'approche couramment utilisée en pratique la plus proche du rapport maximal théorique optimal du processus de combi- naison. Ce commutateur de combinaison des signaux repré- sente une nette amélioration du rapport signal-sur-bruit par rapport à la simple combinaison 1:1. D'autres valeurs commodes peuvent être utilisées en remplacement. Bien qu'il soit possible de prévoir des cas de combinaison de plus de trois signaux, il faudrait alors des circuits de commutation et des circuits de commande de commutateur plus complexes et il faudrait veiller à ne pas perdre la propriété d'une "commutation sans à-coups" au cours des fadings rapides. L'un des avantages du système de commutation décrit ci-dessus est qu'il utilise uniquement des composants passifs sur le trajet du signal; les composants actifs sont il confinés dans les circuits de commande. Donc, il existe un cas de "sécurité intrinsèque": en cas de défaillance de la source d'alimentation appliquée au commutateur, le signal venant du récepteur A serait appliqué directement à la charge. REVENDICATIONS 1. Système de commutation et de combinaison de signaux destiné à un système de communication radio utilisant deux récepteurs (RA, RB) délivrant chacun un signal de sortie radio cohérent (SRA, SRB) et un signal de sortie (VA, VB) propor- tionnel au rapport signal-sur bruit du signal radio, les deux signaux radio étant sensiblement en phase et ayant sensible- ment la même amplitude, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens de comparaison (CT) capables de déterminer à un instant donné lequel des deux signaux radio présente la plus grande indépendance vis-à-vis du bruit, des moyens à seuil (CT) capa- bles de déterminer si à un instant quelconque la différence entre les deux rapports signal-sur-bruit dépasse un ou plusieurs niveaux de seuil d'une pluralité de seuils prédéterminés, des moyens de conditionnement (GN) sensibles à la sortie des moyens de comparaison et des moyens de seuil pour former un ou plu- sieurs signaux de commande, des moyens de commutation (SZ) répondant aux signaux de commande en connectant à une charge de sortie l'un ou l'autre des signaux radio ou une combinaison des deux signaux radio avec un parmi plusieurs rapports prédé- terminés, et des moyens d'adaptation (SZ) connectés aux moyens de commutation et disposés de façon à ce que l'impédance électrique présentée à la charge et la tension du signal radio appliquée à cette charge reste sensiblement constante. 2. Système selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens de différence (Ali A2) répondant aux rap- ports signal-sur-bruit (VA, VB) des deux récepteurs pour déli- vrer une sortie égale à la différence entre ces deux signaux. 3. Système selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que les moyens de commutation (SZ) comprennent une pluralité de commutateurs disposés de façon à brancher chaque signal radio à la charge de sortie ou aux moyens d'adaptation ou aux deux en fonction-des signaux de commande. 4. Système selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les moyens de commutation (SZ) comprennent une pluralité de contacts (RLA1, RLA2; RLB1, RLB2; RLC1, RLC2) manoeuvrés par un certain nombre de relais électromagnétiques (RLA, RLB, RLC). 5. Système selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les moyens à seuil (CT) prévoient deux niveaux de seuil prédéterminés. 6. Système selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que les moyens de commutation (SZ) sont capables de combiner les deux signaux radio avec un d'au moins trois rapports différents. 7. Système selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que les moyens d'adaptation (SZ) comprennent une charge fictive (DL) ayant la même impédance que la charge de sortie (OL). 8. Système selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la sortie proportionnelle au rapport signal-sur-bruit d'un récepteur radio est la sortie de la commande automatique de gain de ce récepteur.