Brevet FR2511564A1 — publié le 19830218

SYNTHETISEUR DE FREQUENCES A DIVISION FRACTIONNAIRE, UTILISE POUR UNE MODULATION ANGULAIRE NUMERIQUE La présente invention se rapporte à un synthétiseur de fréquences à division fractionnaire utilisé pour l'obtention d'un signal à modulation angulaire. Le synthétiseur de fréquences à division fractionnaire est connu; il est destiné à fournir un signal de sortie de la forme F = (N+k) FR o k est la partie décimale d'un nombre N+k et FR la fréquence d'un signal de référence Il comporte: un oscillateur variable une boucle d'asservis- sement de l'oscillateur variable, comprenant en série un diviseur à rang variable prépositionné sur le rang de division N, un comparateur de la phase du signal de sortie du diviseur avec celle du signal de référence, un sommateur et un filtre et un accumulateur de phase qui, à la fréquence FR, somme modulo M le nombre G = k M et qui a ses sorties de somme et de retenue respectivement couplées au sommateur pour fournir un signal de compensation et au diviseur pour fournir un signal de commande à N+ 1 du rang de division. Quand un tel synthétiseur de fréquences doit être associé à un modulateur de signaux numériques pour fournir un signal modulé de façon angulaire par des informations numériques, il est connu de placer le modulateur dans la boucle d'asservissement ou à la sortie du synthétiseur de fréquences Lorsque le modulateur est placé dans la boucle d'asser- vissement, entre le sommateur et l'entrée de commande de l'oscillateur variable, la boucle dasservissement se comportant comme un filtre passe- haut pour les signaux de modulation qui sont appliqués à l'entrée de commande de l'oscillateur variable, il n'y a pas possibilité de transmettre les composantes basse-fréquence de l'information numérique Une autre façon de faire qui élimine le problème de bande passante de boucle, est de réaliser un modulateur angulaire à fréquence fixe à l'aide d'un oscillateur à quartz contrôlé en tension, le signal issu de celui-ci étant ajouté au signal du synthétiseur de fréquence au moyen d'un mélange suivi d'un filtrage pour éliminer les produits de mélange indésirables; ce procédé est coûteux en particulier parce que entièrement analogique Dans chaque cas, il est nécessaire de placer un filtre analogique à rentrée du modulateur pour limiter le spectre du signal modulé. La présente invention a pour but d'éviter tout ou partie des inconvénients précités en proposant un synthétiseur de fréquences à division fractionnaire dans lequel est incorporé un modulateur angulaire numérique de manière telle que les informations numériques à basse fréquence et même le continu puissent être transmis. Ceci est obtenu en agissant sur le signal d'entrée de l'accumu- lateur de phase pour effectuer la modulation. Selon l'invention, un synthétiseur de fréquences à division fractionnaire associé à un modulateur numérique est caractérisé en ce que, pour que son signal de sortie soit modulé de façon angulaire par une information numérique, il comporte un additionneur pour fournir le signal d'entrée de son accumulateur de phase et en ce que cet additionneur reçoit un nombre constant g sur une de ses entrées et un nombre dg représentatif de l'information numérique, sur une autre entrée. La présente invention sera mieux comprise et dautres caractéris- tiques apparaîtront à l'aide de la description ci-après et la figure s'y rapportant qui représente un synthétiseur de fréquences selon l'invention. Dans la description et dans les revendications, il sera dit, à plusieurs endroits, par souci de simplification qu'un circuit reçoit ou fournit un nombre, cela signifie bien entendu qu'il reçoit ou fournit un ou des signaux représentatifs de ce nombre. La figure représente un synthétiseur de fréquences à division fractionnaire comportant un certain nombre de circuits en plus d'un synthétiseur de fréquences à division fractionnaire classique; par synthé- tiseur classique il faut entendre un synthétiseur destiné à fournir un signal de sortie à fréquence donnée, choisie grâce à des valeurs affichées aux entrées de ce synthétiseur Dans la description qui suit, la partie "synthétiseur de fréquences à division fractionnaire classique" du synthé- tiseur selon la figure, sera décrite la première et un rappel du fonction- nement d'un tel synthétiseur sera fait à cette occasion. La figure représente un oscillateur variable, 1, dont la sortie fournit le signal de sortie, à la fréquence FS, du synthétiseur de fréquences La sortie de l'oscillateur variable 1 est reliée à l'entrée de signal d'un diviseur à rang variable, 2, dont la commande du rang de division, N, a été symbolisée par une flèche arrivant sur le diviseur et la lettre N à côté de cette flèche. Le signal de sortie du diviseur 2 est appliqué à lune des deux entrées de comparaison d'un comparateur de phase 3 qui reçoit sur son autre entrée le signal de sortie à la fréquence FR = 480 k Hz d'un oscillateur de référence 6; ce dernier signal est obtenu à partir d'un oscillateur à quartz de grande précision. Le signal de sortie du comparateur de phase 3 est appliqué à l'une des deux entrées d'un sommateur analogique, 4, dont l'autre entrée reçoit le signal élaboré par un accumulateur de phase suivi d'un convertisseur numérique analogique 72; laccumulateur de phase est constitué d'un additionneur numérique 70 et d'un registre tampon 71 L'additionneur 70 reçoit sur une première entrée un signal représentant un nombre G qui sera précisé par la suite; la sortie de ladditionneur 70 est reliée à l'entrée de signal du registre tampon 71 dont le signal de commande est le signal à la fréquence FR de 'oscillateur 6 L'additionneur 70 est un additionneur modulo M, o M est un nombre entier (M = 480 dans le cas de l'exemple décrit) L'additionneur 70 comporte une sortie de retenue qui indique le dépassement du compte maximum (M-1 = 479); cette sortie porte le repère (N+I); elle est reliée à une entrée de modification de la valeur du rang de division du diviseur 2 La sortie du registre tampon 71 est reliée d'une part à une seconde entrée de l'additionneur 70 et d'autre part à une entrée du convertisseur numérique-analogique 72 qui reçoit sur une autre entrée munie d'un diviseur de fréquences le signal Fs; le signal de sortie du convertisseur est, comme il a été indiqué ci- avant, reçu par le sommateur 4. La sortie du sornmateur 4 est connectée à l'entrée d'un filtre de boucle 5 dont la sortie fournit le signal de commande de l'oscillateur variable. La partie du synthétiseur de fréquences qui a été décrite jusqu'ici, c'est-à-dire celle constituée des blocs 1 à 6 et 70 à 72, constitue un synthétiseur de fréquences à division fractionnaire classique; son principe de fonctionnement est indiqué ci-après. La fréquence FS à obtenir à la sortie de l'oscillateur variable 1 est de la fortme FS = (N+k) FR ou (N+k) est un nombre dont la partie entière est N et la partie décimale k Cette fréquence FS n'étant pas égale à N fois la fréquence de référence FR, la comparaison par le comparateur de phase 3 du signal à la fréquence FS donné par le diviseur à rang variable avec le signal à la fréquence FR fournit un signal représentatif de leur différence de phase, qui va en augmentant (ou en diminuant selon la valeur de k) d'une valeur constante à chaque période TR = F 1 ' du moins tant que le rang de division du diviseur 2 est égal à N. Sur la première entrée de l'additionneur 70 est appliqué le nombre G tel que G = k M o, comme indiqué plus avant, k est la partie décimale de (N+k) et M le modulo de l'additionneur 70 L'addition modulo M effectuée par l'additionneur 70, au rythme FR de la commande du registre 71, augmente de la valeur G, à chaque période TR, le compte de l'additionneur 70 A chaque fois que la capacité maximale de l'addi- tionneur est atteinte ou dépassée, l'additionneur fournit un bit de retenue sur sa sortie de retenue (N+i), et le diviseur variable 2, pendant la durée TR de ce bit, a son rang de division qui est augmenté d'une unité et passe donc à N+ 1 Ainsi le comparateur de phase qui comparait la phase du FS signal -N avec celle du signal FR fournissait, comme il a été indiqué un signal de sortie représentatif de l'Pécart de phase qui allait en augmentant (ou en diminuant); par les passages à N+ 1 du rang de division cet écart de phase est résorbé sur une durée égale à M TR Il en résulte à la sortie du comparateur de phase 3 un signal en dents de scie, en marches d'escalier. Pour chaque fréquence FS, le signal donné par le comparateur de phase 3 G prend une suite de valeurs discrètes qui dépendent de k = -M et dont, à chaque instant, la valeur numérique theorique est contenue dans l'accumu- lateur de phase 70, 71, à un coefficient de proportionnalité près; un exemple de signal de sortie du comparateur 3 est indiqué sur la figure Le signal de sortie du coiparateur 3 est sommé avec le signal de compensa- tlo I fourni par le convertisseur numérique-analogique 72 Le signal de compensation est l'opposé du signal de sortie du compdrateur 3 lorsque la fréquence FS est parfaitement asservie à la fréquence FR Pour assurer la compensation dans toute la plage de variation en fréquence du synthétiseur de fréquences, il est tenu compte de ce que l'amplitude du signal représentatif de la différence de phase (sur la sortie du compa- rateur de phase 3) est inversement proportionnelle à la fréquence Fs; pour cela le signal de compensation est rendu proportionnel non seulement au contenu de l'accumulateur de phase mais aussi à la période p du signal du synthétiseur de fréquences et il est obtenu à partir du signal de sortie du registre tampon et du signal FS au moyen d'un convertisseur numérique analogique 72. Le signal de sortie du convertisseur numérique analogique 72 est additionné dans le sommateur 4 au signal de sortie du comparateur de phase 3; le signal fourni par le sommateur 4 est filtré par le filtre de boucle 5 pour servir de signal d'asservissement de l'oscillateur variable 1. La partie de la figure qui vient dêtre décrite correspond à un synthétiseur de fréquences à division fractionnaire classique Le synthé- tiseur de fréquences qui a servi de modèle pour cette description est destiné à fournir une fréquence de sortie allant de 51,4 à 109,4 M Hz par FR pas, P, de Ik Hz (P = R k= I Hz) et grâce à des valeurs de N comprises entre 107 et 227. Dans un synthétiseur de fréquences à division fractionnaire clas- sique le nombre G est un nombre constant pour une valeur FS donnée du signal de sortie Dans le cas du synthétiseur de fréquences selon Pinven- tion, le nombre G provient de la somme, effectuée par un additionneur 80, d'un nombre g et d'un nombre dg; et, si le nombre g est constant, le nombre dg, lui, est un nombre variable, positif ou négatif, représentatif d'une information numérique I à transmettre par modulation. Le nombre dg, dans le cas de Pexemple décrit, est représentatif d'une information numérique, 1, ayant un débit de 16 kilobits par seconde, correspondant à des bits de 62,5 /u S de durée Cette information est appliquée à l'entrée d'un registre à cinq étages, 90, à entrée série et à sorties parallèles, dont les sorties sont connectées à un premier groupe de cinq entrées d'adressage d'une mémoire fixe 92 (ROM dans la littérature anglo-saxonne). Un compteur 91, modulo N (n = 30), reçoit sur son entrée de signal le signal de référence à la fréquence FR; il fournit à un second groupe de cinq entrées d'adressage de la mémoire fixe 92, un nombre dont la valeur varie de O à 29 pendant un temps égal à la durée d'un bit d'information puisque la fréquence de référence FR et le modulo du compteur 91 ont été choisis pour qu'un cycle complet de comptage dure 62,5 /u S ( 30 TR = 480 00 = 62,5 1 u S) Les signaux d'affichage reçus par la mémoire fixe 92 sont ainsi d'une part la représentation des cinq derniers bits de l'information I reçue et d'autre part les repères pour Péchantillonnage en trente échantillons de durée TR des bits d'information La configuration des cinq derniers bits d'information et le numéro d'échantillon reçus à un instant donné par la mémoire fixe 92 correspondent à un mot de huit bits stocké dans cette mémoire Ce mot de huit bits est le nombre dg fourni à l'additionneur 80 Etant donné que si dg est nul en permanence g correspond à une fréquence donnée F 5 à la sortie de l'oscillateur variable, cette valeur dg peut être considérée comme un incrément de fréquence. Cet incrément de fréquence est envoyé sur l'accumulateur de phase 70-71 et le signal de sortie du synthétiseur de fréquences à division fraction- naire devient FS + R' c'est-à-dire que F 5 subit une variation de phase, durant la durée TR d'un échantillon, égale à M FR TR M- Dans la mémoire 92, en fonction du numéro d'échantillon, sont stockées des valeurs dg telles que, pour un bit d'information, la somme des variations de phase dues à chaque échantillon correspond à une variation de phase-prédéterminée du signal FS durant ce bit d'information. Les trente valeurs, dg, stockées correspondant aux trente échan- tillons relatifs à chaque configuration de cinq bits consécutifs, sont représentatives dune loi de modulation de phase prédéterminée pour cette configuration Les trente-deux lois de phase correspondant aux trente- deux configurations de cinq bits sont obtenues par simulation sur calcula- teur en fonction du type de modulation à obtenir et en tenant compte du temps de réaction de la boucle d'asservissement -du synthétiseur de fréquences afin d'optimiser le spectre du signal FS modulé Ceci présente l'avantage d'une part d'éliminer le filtre analogique qu'il aurait fallu mettre à l'entrée d'un modulateur angulaire classique pour limiter le spectre du signal modulé, et d'autre part d'effectuer un traitement d'optimisation du spectre difficilement réalisable dans les dispositifs de modulation classiques. Bien entendu, il est nécessaire, pour que cette modulation ait un sens, que le temps de positionnement en phase de la boucle du synthé- tiseur de fréquences, pour les incréments dg considérés, soit nettement inférieur à la durée d'un bit de l'information 1; dans Pexemple de réalisation, le temps de positionnement de la boucle est de Pordre du cinquième de la durée d'un bit. Il est à noter que le registre 90 et le compteur 91 comportent une entrée de remise à zéro, qui est sensibilisée au début de chaque nouvelle transmission d'informations par un signal Z de remise à zéro. Il est à remarquer que l'accumulateur de phase, 70-71 suivi du convertisseur 72, ne peut donner un signal de compensation que si G est supérieur à zéro et inférieur au modulo, M, de l'additionneur 70 puisque le signal de compensation est obtenu à partir des circuits 70,71, qui ne donnent un signal de sortie ayant un sens pour la boucle d'asservissement que si leur signal d'entrée, G, est supérieur à zéro et inférieur au modulo de l'additionneur 70 C'est pourquoi l'additionneur 80 est suivi d'un circuit de décodage 81 qui, lorsque g+dg est inférieur à O sur la figure. La présente invention n'est pas limitée à l'exemple décrit; c'est ainsi que Péchantillonnage du signal d'information numérique 1, grâce au compteur 91, peut être supprimé mais il n'y a plus la possibilité d'opti - miser de manière peu coûteuse le spectre du signal transmis par modula- tion Il faut alors, pour réaliser cette optimisation du spectre, recourir à des filtres à bande étroite disposés hors de la boucle d'asservissement et recevant le signal de sortie de Poscillateur variable 1; cette solution est généralement impraticable dans la mesure o à chaque fréquence de sortie FS doit correspondre un filtre. Il est également possible de modifier le synthétiseur de fréquence modulable selon la figure de façon à lui permettre de traiter une j information numérique 1 ayant un débit différent de 16 k bits/seconde Il faut alors que le modulo du compteur 91 qui détermine le nombre d'échantillons par bit d'information, soit commandé en fonction du débit des bits de Pinformation I reçue pour que, pendant la durée d'un bit, il y ait un nombre entier d'échantillons de durée TR; ceci, nécessite d'une part que la valeur en hertz de la fréquence de référence FR soit divisible par la valeur en bits par seconde du débit de l'information, le quotient de la division donnant le modulo du compteur 91, et dautre part qu'un dispositif de commutation permette de modifier le modulo du compteur 91 en fonction du débit de l'information numérique reçue. L''échantillonnage, au lieu d'être effectué à la fréquence FR, peut être effectué à une fréquence F'R sous-multiple de FR et tout ce qui a été dit dans le paragraphe précédent reste valable en y remplaçant FR par F'R; toutefois l'utilisation d'une fréquence d'échantillonnage sous multiple de FR conduit à définir la loi de phase avec moins d'échantillons et donc avec moins de précision. Dans le cas o le débit de l'information n'est pas un sous-multiple exact de la fréquence de référence, mais en est très peu différent, il est possible de resynchroniser le débit binaire avec FR, mais cette opération introduit périodiquement une gigue (jitter dans la littérature anglo- saxonne) sur la durée du bit d'information 1 égale à la durée d'un échantillon, dont il faut tenir compte dans le fonctionnement du compteur 91 par augmentation ou diminution d'une unité du modulo N de ce compteur. Différentes simplifications peuvent être apportées à la figure dans la mesure o les caractéristiques de la modulation à effectuer et de l'information à moduler sont simplifiées par rapport à celles dont il a été question lors de la description de la figure C'est ainsi qu'en plus de la suppression de l'échantillonnage dont il a été question plus avant, et qui correspond à la suppression du compteur 91, il est également possible de supprimer le registre 90 et la mémoire 92 dans le cas o l'information I peut directement être prise commne signal de modulation du nombre g, c'est-à-dire dans le cas o la modulation de g est une modulation par tout ou rien avec dg = I. De rmêmre, dans la mesure o g + dg est toujours positif et inférieur au modulo, M, de l'additionneur 70, le circuit décodeur 81 devient inutile, la sortie de l'additionneur 80 fournit directement le signal G à l'additionneur 70 et la liaison (N-I) vers le diviseur variable 2 n'a plus lieu dêtre - L'information numérique modulante, dg, appliquée à l'entrée de l'additionneur 80 peut, dans certaines variantes, provenir d'une informa- tion analogique du type parole, par exemple Dans le cas o l'information, à l'origine, se présente sous forme analogique, des circuits d'échan- tillonnage et de conversion analogique-numérique permettront de la transformer en une information numérique pour constituer l'information modulante dg. REVENDICATIONS 1 Synthétiseur de fréquences à division fractionnaire pour fournir un signal de sortie de la forme FS (N + k) FR, o k est la partie décimale d'un nombre N + k et FR la frequence d'un signal de référence, compor- tant: un oscillateur variable ( 1); une boucle d'asservissement de l'oscilla- teur variable, comprenant, en série, un diviseur à rang variable ( 2) prépositionné sur le rang de division N, un comparateur ( 3) de la phase du signal de sortie du diviseur avec celle du signal de référence, un sommateur ( 4) et un filtre ( 5); et un accumulateur de phase ( 70,71) pour, à la fréquence FR, sommer miodulo M un nombre G = k M appliqué sur son entrée, et dont les sorties de somme et de retenue sont respectivement couplées au sonmnateur ( 4) pour fourmnir un signal de compensation, et au diviseur ( 2) pour fourmnir un signal de commnande à N + I du rang de division, caractérisé en ce que, pour que le signal FS soit un signal à modulation angulaire, modulé par une information numérique, il comporte un additionneur ( 80) ayant une sortie couplée à l'entrée de l'accumulateur de phase, cet additionneur recevant un nombre constant g sur une entrée et un nombre dg représentatif de l'information numérique sur une autre entrée. 2 Synthétiseur de fréquences selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'additionneur ( 80) est couplé à l'entrée de l'accumulateur de phase ( 70,71) par un circuit décodeur ( 81) qui a une sortie connectée au diviseur variable ( 2), le circuit décodeur ayant pour rôle, d'une part de délivrer le signal G sous la forme G = M + g + dg et de commander une diminution d'une unité du rang de division du diviseur variable dans le cas o g + dg est inférieur à zéro et d'autre part de délivrer le signal G sous la forme G = g + dg M et de commander une augmentation d'une unité du rang de division du diviseur variable dans le cas o g + dg est supérieur à M. 3 Synthétiseur de fréquences selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'information nunmérique est appliquée à l'entrée d'un registre série- parallele ( 90) dont les sorties sont couplées à des entrées d'adressage d'une mémoire ( 92) programmée en fonction de la loi de modulation à obtenir et couplée à l'additionneur pour lui fournir le nombre dg. 4 Synthétiseur de fréquences selon la revendication 3, caractérisé en ce que l'information numérique est échantillonnee en un nombre entier, n, d'échantillons par bits, et en ce que, pour cela, d'une part la valeur en hertz de la fréquence FR est égale à N fois la valeur en bits par seconde du débit de l'information numérique, et d'autre part le synthétiseur de fréquences comporte un compteur ( 91) modulo N qui reçoit sur son entrée de comptage le signal de référence et dont les sorties sont couplées à d'autres entrées d'adressage de la mémoire ( 92).