Brevet FR2522222A1 — publié le 19830826

Cette demande de brevet est apparentée à une demande connexe intitulée " Circuit pour améliorer le rendement de convertisseurs numériques analogiques " déposée à la même date que la présente par la même demanderesse. La présente invention a trait à un procédé et à un appareil pour transformer un signal audio à bande large en une série d'impulsions codées discrètes , et plus particulièrement à un procédé et à des moyens pour trsnsformer un tel signal en impulsions codées à faible bruit et faible distorsion. On a déjà démontré qu'au lieu de transmettre une version continue d'un signal contenant une information , il suffit d'échantillonner ce signal à des intervalles de temps réguliers et discrets , et de trabsmettre les échantillons du signal modulé sous forme d'un train d'impulsions périodiques que l'on peut ultérieurement démoduler après leur transmission à travers un moyen choisi à cet effet. On a déjà utilisé durant de nombreuses années différents procédés de modulation d'impulsions pour les fréquences vocales et les circuits télex , en raison des multiples avantages qui en découlent , y compris l'immunité relative vis-àvis des parasites , la facilité de multiplexage par des impulsions entrelacées à partir de deux ou d'un plus grand nombre de sources de signaux , et aussi de la facilité avec laquelle on peut reconstruire les impulsions à l'aide de répétiteurs à réaction sur de longs circuits de transmission .En fait ,on fournit des modulateurs/démodulateurs (MODEMS) aux services de transmission par câbles. Jusqu'à une époque récente ,la nécessité d'avoir une fréquence de répétition des impulsions qui soit au moins le double de la plus haute fréquence enregistrée dans la source des signaux a limité l'application des modulateurs d'impulsions aux communications à fréquences vocales,aux télétypes et aux circuits de données dont la limite supérieure de fréquence est d'environ 4 kilohertz . La possibilité de se procurer des composants qui peuvent changer d'état dans l'espace de nanosecondes s'est traduite par l'utilisation de comparateurs et de convertisseurs numériques/analogiques à grande vitesse (DAC) mais , jusqu'à présent les parasites et la distorsion ont empêché l'obtention d'une reproduction numérique à haute fidélité de'matériaux audio ou musicaux. L'invention décrit un système pour chiffrer des signaux audio à bande large en utilisant un convertisseur numérique/ analogique à grande vitesse et à faible bruit. Par conséquent , l'un des buts de la présente invention consiste à prévoir un procédé et un appareil pour échantillonner périodiquement un signal électrique audio à un taux prédéterminé et engendrer un nombre binaire multibit qui décrit avec précision le signal audio au moment de l'échantillonnage Un autre but de l'invention consiste à engendrer la séquence désirée de mots binaires en utilisant une combinaison d'un convertisseur numérique/analogique multibit perfectionné d'une unité de contrôle et d'une unité de comparaison qui compare un signal construit au signal d'entrée et engendre un mot multibit lorsque la coincidence se produit. L'invention sera maintenant décrite plus en détail en se référant au dessin annexé sur lequel La figure 1 est un schémz synoptique montrant un système de conversion analogique/Numérique, dont l'assemblage et le branchement sont conformes aux buts de l'invention La figure 2 montre le résultat net du circuit des composants reliés entre eux sur la figure 1 , ainsi que les résistances parasites de masse à l'intérieur d'une boucle de conversion analogique/numérique , et d'une boucle d'entrée audio et la figure 3 montre une vue agrandie de l'entrée audio au point où le signal croise l'axe zéro et change de polarité pour passer de la polarité négative à la polarité positive. Plus particulièrement , la figure 1 montre un schéma synoptique d'un convertisseur complexe analogique/numérique (ADC ) réprésenté sous la forme d'une simple entité sur la fig. 2 . Le bloc 10 contient des composants qui commandent le fonctionnement du complexe ADC . Les amplificateurs de travail Opamps 12A ,B , C et D sont des amplificateurs Norton à différenciation de courant , tels que des amplificateurs LM3900.L'Opampl 12A est branché en tant que préampli à horloge fonctionnant de préférence à environ 48 à 50 kilohertz afin d'obtenir une largeur de bande audio d'environ 20 kilohertz. Les Op-amps 12B et 12C assurent une fonction de commutation à grande vi tesse . La sortie du pré-ampli d'horloge 12A peut avoir un rapport d'espacement identique , bien que si l'on envisage le nul- tiplexage n une impulsion de repérage de 0,8 ou inférieure à 0,8 serait souhaitable , afin de réduire la diaphonie. Dans un mode particulier de réalisation de 1 invention, l'élément 14 du bloc 10 est un registre d'approimations successives semblable au DM2504.Une variante de circuit à l'intérieur du bloc ce commande 10 pourrait comprendre un compteur CMOS semblable au CD 4040. Le bloc de commande 10 comporte deux entrées et deux sorties.L'entrée 16 permet d'introduire une impulsion de démarrage ou initiale dans le bloc de commande 10 , afin de permettre le démarrage de la fonction d'approximations successives ou de comptage . L'entrée 16A est reliée au comparateur 12D. La sortie 18 du bloc de commande 10 sert à indiquer la fin d' une séquence de conversion qui peut signaler la nécessité d'appliquer une impulsion supplémentaire de démarrage à l'entrée 16 . La sortie 20 se compose d'un courant de bits binaires engendrés par le bloc de commande 10 et la sortie parallèle 20A est le produit fini du convertisseur complexe A/N. Le bloc 22 est un convertisseur numérique/analogique (DAC) perfectionné , du genre décrit dans la demande connexe de brevet citée plus haut .La sortie 22A du convertisseur DAC 22 est reliée à l'entrée à inversion du comparateur 12D sous forme d'une tension analogique construite qui finalement , égale la tension audio appliquée à 22B , c'est-à-dire à l'entrée à noninversion du comparateur A2D. Sur la figure 2 , le bloc 10A comprend tous les composants compris dans la figure 1 . L'entrée à fréque,ce audio désignée en 22B est reliée au générateur 22C relié par ailleurs à la masse 24. La sortie du bloc lOA qui est un courant de bits chiffrés basé sur l'entrée analogique 22B est représentée en 20A. Ce bloc lOA comprend , comme signalé ci-dessus , les différents composants que montre la figure 1 , dont le plus important est le composant 22 , c'est-à-dire le convertisseeur DAC à faible bruit .Les courants de commutation dans ce convertisseur DAC donnent lieu à des tensions de type ordinaire et sont une source inévitable de bruit de sortie qui détermine la présence d'une non-linéarité différentielle aux points de croisement , par exemple lorsque le signal audio passe par le point zéro .La résistance 24 B montre comment on peut engendrer de basses tensions à partir de courants de masse à l'intérieur d'un convertisseur DAC , tel que le convertisseur 22 de la figure 1, qui peut contribuer à engendrer du bruit et une non-linéarité différentielle au cours de transition au milieu de la gamme. La résistance 24A montre comment des tensions peuvent être engendrées par des courants dans l'unité de commande 10 et le comparateur 12D de la figure 1 , ces tensions étant généralement de faible amplitude et n'apportant qu'une contribution minimale au bruit et à la distorsion produits dans le système. La figure 3 montre les intervalles d'échantillonnage de transition à mi-graduation du signal audio 26 traversant 1' axe 28 de tension zéro .L'effet produit par des variations par gradins dues aux tensions de commutation sans la résistance de masse du convertisseur DAC est représenté par les additions 26A en traits interrompus des gradins .Ces tensions de commutation ou non-linéarités différentielles dérivées des courants de masse constituent une contribution principale au bruit et à la distorsion par croisement dans des sytèmes ADC à base DAC. Les caractéristiques de conception dans un convertisseur DAC de type perfectionnné telq eu décrit dans la demande de brevet citée dans le préambule de la présente description réduisent très sensiblement les effets des courants de masse , ce qui les rend idéalement aptes à être incorporées à des systèmes de convertisseurs analogiques/numériques ( ADC) basés sur des convertisseurs numériques/analogiques (DAC). Fonctionnement du système Le fonctionnement du complexe ADC commence lorsqu' on applique un signal à la borne 16 ( voir la figure 1).Un procédé d'approximations successives ou de comptage (IC14,fig 1) envoie une série d'impulsions à travers 20 au convertisseur numérique/Analogique DAC 22 . Ce dernier engendre une sortie analogique construite qui parvient à travers 22A au comparateur 12D . Ce comparateur 12D compare le signal analogique construit avec le signal audio d'entrée 22B . A un certain point , le comparateur sera satisfait de l'égalité du signal construit et du signal d'entrée . Le fonctionnement du convertisseur A/N en tant que système se poursuit aussi longtemps que le signal audio d'entrée continue et qu'un courant de bits à intervalles est disponible en 20A ( figure 1) .Une interruption ou pause prolongée dans le signal d'entrée rend nécessaire le redémarrage du fonctionnement du système ADC. Bien que l'invention ait été décrite en se référant à un mode préféré de construction physique réalisé conformément à l'invention , il ressortira clairement à tout spécialiste dans l'art que divers perfectionnements et modifications peuvent y être apportés sans s'écarter du principe de base de 1' invention . Par exemple , bien que l'invention soit conditionnée par l'incorporation d'un DAC à faible bruit ,on peut utiliser une gamme étendue de circuits intégérés disponibles dans le commerce pour les fonctions de commutation , de régulation par horloge , de comptage et de comparaison i au lieu des circuits intégrés mentionnés dans la description , et cela sans modifier matériellement le rendement su système ADC .Un convertisseur numérique/analogique (DAC) à faible bruit doit également être utilisé dans la partie décodage du système (non représentée) pour la reproduction à faute-fidélité du signal codé à large bande. REVENDICATIONS 1 - Convertisseur analogique/numérique;comprenant: a) un moyen de comptage numérique (14) pour engendrer un cou rant de bits binaires b) un moyen convertisseur numérique/analogique (22) relié au dit moyen de comptage numérique (14) pour convertir le courant de bits binaires en un premier signal analogique (22A) et c) un premier moyen (12D) pour recevoir un signal analogique d'entrée (22B) caractérisé par un second moyen couplé au premier moyen (12D) ainsi qu'au moyen convertisseur (22t et comportant une sortie reliée au moyen de comptage numérique (14) afin de comparer ledit signal analogique d'entrée (22B) audit premier signal analogique (22A) afin de déterminer l'instant où ils sont pratiquement égaux. 2 - Convertisseur analogique/numérique suivant la revendication 1 , caractérisé en ce que le second moyen comprend un premier amplificateur opérationnel ayant une première entrée relié à la sortie dudit moyen convertisseur numérique/analogique (22) ainsi qu'une seconde entrée branchée de façon à recevoir ledit signal analogique d'entrée (22B). 3 - Convertisseur analogique/Numérique selon la revendication 2 , caractérisé en ce que ledit moyen de comptage numérique(14) comprend une horloge-pilote. 4 - Convertisseur analogique/numérique selon la revendication 3 ,caractérisé en ce que ladite horloge-pilote est constituée par un amplificateur opérationnel. 5 - Convertisseur analogique/numérique selon la revendication 2 , caractérisé en ce que ledit moyen de comptage numérique(l4) comprend un registre à approximations successives (IC 14). 6 - Convertisseur analogique/numérique selon la revendication 2 , caractérisé en ce que ledit moyen de comptage numérique comprend un compteur n umérique. 7 - Convertisseur analogique/numérique selon la revendication 2 , caractérisé en outre en ce qu'il comprend a) un troisième moyen pour faire démarrer le processus de con version analogique/numérique 1 et b) un quatrième moyen pour indiquer que le processus de con version est terminé. 8 - Convertisseur analogique/numérique suivant la revendication 1 , spécialement conçu pour le codage numérique d'un signal audio à bande large , et caractérisé par ce que: a)ledit moyen de comptage numérique comprend un moyen propre à assurer l'échantillonnage dudit signal avec une période d'échantillonnage d'environ 50 kilohertz afin d'engendrer un signal numérique multibit correspondant à l'amplitude dudit signal pendant ladite période b) ledit moyen de conversion numérique/analogique possède une faible capacité à produire du bruit afin de créer un signal analogique reconstruit dudit signal multibit , et c) ledit second moyen est couplé audit signal à bande large et audit signal analogique reconstruit afin de vérifier la précision dudit signal numérique multibit 9 - Convertisseur analogique/numérique selon la revendication 8 , caractérisé par un moyen propre à recevoir et enregistrer ledit signal numérique multibit. 10 - Convertisseur analogique/numérique selon la revendication 9 , caractérisé en ce qu'il comprend un moyen pour recevoir ledit signal enregistré et un moyen de conversion numérique/analogique à faible bruit pour fournir un second signal analogique reconstruit reproduisant ledit signal audio à bande large.