Brevet FR2563397A1 — publié le 19851025

i La présente invention concerne un répéteur à fréquence vocale du type utilisé dans des circuits télé- phoniques pour amplifier des signaux vocaux dans des li- gnes téléphoniques dans lesquelles des signaux vocaux ort subi une atténuation excessive du fait de la distance en- tre stations. L'équipement doit satisfaire diverses exi- gences de conception, à savoir: 1. Il doit être transparent au courant continu qui alimente le poste téléphonique, qu'on appelle le courant de bou- cle; 2. Il doit être transparent au signal d'appel (signal si- nusoidal de 25 Hz, 80 Veff); 3. Il doit être transparent au signal de numérotation (si- gnal rectangulaire de 48 Vcc et d'une période de 13.00 ms); 4. Il doit être capable d'amplifier simultanément des si- gnaux vocaux bidirectionnels (300-3400 Hz); 5. Il doit améliorer les caractéristiques de la ligne télé- phonique en ce qui concerne la distorsion du signal vocal, la réflexion du signal, les ondes stationnaires dans la ligne et tous les types possibles de bruit nui- sible; 6. Il doit avoir une consommation d'énergie minimale, ne dépassant pas les limites permises dans des systèmes normaux (100 mA); 7. Il doit être transparent à une inversion de polarité de la ligne téléphonique. L'exigence d'une amplification bidirectionnelle simultanée soulève des problèmes techniques de structure. Lorsqu'on analyse des circuits classiques par la théorie gé- nérale des circuits, on voit que ces circuits ont la configu- ration d'oscillateurs et non d'amplificateurs. Une autre difficulté réside dans l'interconrexion du répéteur à fréquence vocale et de la ligne téléphonique. Du fait que la ligne téléphonique n'est pas purement résisti- ve, puisque c'est une ligne de transmission de signal, elle se comporte conformément à la théorie des constantes répar- ties, avec tous les phénomènes de propagation d'ondes électromagnétiques. On ne peut pas appliquer l'analyse clas- sique par les lois de Kirchhoff. L'analyse mathématique -de la ligne en employant la théorie générale des ondes électromagnétiques montre que le niveau de propagation du signal n'est pas atténué uniformément, mais est affecté de pertes plus élevées aux fréquences supérieures. La vitesse de propagation des si- gnaux varie en fonction de la fréquence, ce qui produit une distorsion de phase accentuée. La réflexion des signaux est renforcée, ce qui crée des ondes stationnaires et des oscillations. Un répéteur à fréquence vocale introduit dans la ligne doit non seulement préserver les caractéristiques favorables de la ligne, mais également améliorer ses per- formances. Diverses philosophies de conception, qu'on va maintenant envisager, ont été élaborées dans l'art anté- rieur pour les répeteursà fréquence vocale. 1. Répéteurs à fréquence vocale avec transformateurs différentiels Cette technique, qu'on considère comme la plus ancienne tentative de résoudre les problèmes ci-dessus, utilise deux transformateurs différentiels aux extrémités de deux amplificateurs unidirectionnels. Un transformateur différentiel est un transfor- mateur ayant quatre enroulements qui a la propriété de lais- ser passer les signaux dans des directions prédéterminées. Il est nécessaire que les enroulements du trans- formateur soient associés à des impédances égales à celles de la ligne. La difficulté de conception réside dans ces trans- formateurs différentiels, du fait qu'on peut considérer que le signal vocal est un signal à large bande (la fréquence la plus élevée est 11 fois la plus basse) et, par conséquent, la structure physique des transformateurs est extrêmement critique. L'autre point faible de ce système réside dans les impédances. Comme on l'a déjà expliqué, une ligne té- léphonique est une ligne de transmission et son impédance dépend de la fréquence. Il serait ainsi nécessaire de chan- ger la valeur des impédances du système pour chaque fré- quence. On parvient à la solution par un compromis. Au moyen d'un circuit d'équilibrage, on cherche à obtenir une impédance approchée sur toute la gamme de fréquence (300 à 3400 Hz). La fabrication en grande série rend cependant critiques le choix de l'impédance, le taux d'utilisation des transformateurs et les réglages d'appariement des im- pédances. 2. Répéteurs à fréquence vocale à impédance négative Cette technique est basée sur la création arti- ficielle d'un circuit qui remplit les fonctions d'une ré- sistance négative. Lorsque ce circuit est inséré dans une ligne téléphonique, il produit un gain en tension pour le signal, conformément aux lois physiques. Vo = Vi - Ii (-R) -IiR. Vo = Vi + IrR Vi Le circuit doit simultanément conserver les mê- mes impédances d'entrée et de sortie. On obtient ainsi un gain potentiel qu'on ne peut pas obtenir avec des éléments passifs. On ne peut construire ce circuit qu'en utilisant des tubes ou des semiconducteurs (éléments actifs) et une source d'énergie extérieure. Dans ce type de circuit, on insère un transforma- teur dans une ligne téléphonique bifilaire. L'enroulement primaire du transformateur est en série avec la ligne et l'enroulement secondaire contient une résistance en série avec un circuit actif, qui inverse la polarité du courant de signal. La valeur physique de la résistance est ainsi ramenée à l'enroulement primaire sous la forme d'un signal inver- sé, ce qui remplit la fonction d'une résistance négative. Pour préserver les impédances d'entrée et de sortie, on place en parallèle sur la ligne un autre cir- cuit comprenant deux transformateurs, un circuit actif (tubes ou transformateurs) et une résistance de gain. Le répéteur à fréquence vocale à résistance né- gative a théoriquement une efficacité raisonnable. Du fait que le courant de boucle (courant continu alimentant les postes téléphoniques)traverse les enroule- ments primaires des transformateurs, la construction de ceux-ci soulève des problèmes et leur taille physique de- vient considérable. Le fait qu'on utilise divers transformateurs ayant des caractéristiques critiques différentes nuit aux performances du circuit. Dans la fabrication en grande sé- rie, les problèmes sont du même ordre de grandeur ou plus importants que ceux qu'on rencontre avec les répéteurs à fréquence vocale à transformateur différentiel. Un but de l'invention est donc de résoudre les problèmes de l'art antérieur indiqués ci-dessus. Conformément à l'invention, on parvient à ce but grâce à un répéteur à fréquence vocale du type utilisé dans un circuit téléphonique entre deux stations téléphoniques distantes, pour amplifier le signal vocal dans les deux di- rections, et qui comprend des amplificateurs pour les si- gnaux vocaux et des moyens pour empêcher l'auto-oscillation des amplificateurs, et ce répéteur est caractérisé par le fait que les moyens destinés à empêcher l'auto-oscillation des amplificateurs sont des circuits différentiels comprenant des amplificateurs opérationnels. Le remplacement d'un élément passif, à savoir le transformateur différentiel de l'art antérieur, par un élé- ment actif (amplificateur opérationnel) est ainsi une philo- sophie complètement nouvelle pour l'élimination des auto- oscillations dans un circuit téléphonique bidirectionnel, et permet la fabrication en série de répéteurs vocaux ayant plusieurs avantages par rapport aux répéteurs à fréquence vocale de l'art antérieur. Ces avantages sont les suivants: 1. Réduction du poids et de la taille de l'équipement; 2. Réduction de coût; 3. Fabrication plus simple de l'équipement; et 4. Elimination des composants critiques, du fait de la gran- de uniformité des amplificateurs opérationnels en cir- cuit intégré. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description détaillée qui va suivre d'un mode de réali- sation et en se référant aux dessins annexés sur lesquels: La figure 1 est une représentation schématique d'un circuit de l'art antérieur pour un répéteur à fréquen- ce vocale, utilisant des transformateurs différentiels; La figure 2 est un schéma synoptique simplifié d'un répéteur à fréquence vocale conforme à l'invention; La figure 3 montre une représentation générale d'un amplificateur opérationnel du type utilisé dans l'in- vention; La figure 4 montre une représentation graphique des signaux de mode différentiel et de mode normal aux en- trées de chaque amplificateur opérationnel du type repré- senté sur la figure 3; et La figure 5 est un schéma général d'un répéteur à fréquence vocale conforme à l'invention, dans lequel on uti- lise les entrées négatives des amplificateurs (entrées inver- seuses de l'amplificateur opérationnel). Comme on l'a indiqué, le répéteur à fréquence vo- cale conforme à l'invention suit le mode de fonctionnement de certains des répéteurs à fréquence vocale de l'art anté- rieur, dans lesquels des transformateurs à 4 enroulements,ou transformateurs différentiels 1 (voir la figure 1), sont rem- placés par un circuit 2 tel que celui représenté sur la figu- re 3, comprenant un amplificateur opérationnel. La figure 2 montre un schéma synoptique d'un répéteur à fréquence vocale conforme à l'invention, dans lequel chacun des sous-ensembles 3 et 4 est constitué par un circuit différentiel actif 2, formé par des amplificateurs opérationnels cornnectés selon des configurations telle que celle désignée par la référence 2 sur la figure 5. On décrira ci-après cette configuration. On donne à ce cir- cuit 2 une configuration qui tire parti des principes cor- respondant à des entrées de signal de mode différentiel et de mode normal. La configuration de ces signaux est re- présentée sur la figure 4, sur laquelle les références Ll et L2 désignent les entrées du circuit 2 représenté sur la figure 3. Les signaux désignés par S1 sur la figure 4 représentent les signaux de mode différentiel et les si- gnaux S2 sont les signaux de mode normal. Comme il est bien connu dans la technique, dans un circuit 2 tel que celui représenté sur la figure 3, lorsqu'on choisit Ri égale à R2 et R3 égale à R4, le cir- cuit a les caractéristiques suivantes: a) amplification du signal de mode différentiel S1; et b) réfection élevée (en fonction de la qualité de l'ampli- ficateur opérationnel et de la valeur des résistances) du signal de mode normal. On a appliqué à l'invention ce principe de la théorie générale des circuits amplificateurs opérationnels, ce qui a conduit à un répéteur à fréquence vocale ayant des caractéristiques fonctionnelles et un fonctionnement nette- ment supérieurs à ceux de l'art antérieur. Dans le schéma synoptique de la figure 2, le si- gnal S1 passe librement vers le côté A de la ligne mais appa- ralt en mode normal sur les conducteurs d'entrée du circuit actif différentiel 3, et il n'est pas transmis par l'amplifi- cateur A1. Le signal S2 apparait en mode différentiel sur les conducteurs d'entrée du circuit actif différentiel 3 et il est transmis par l'amplificateur A1. Dans le circuit actif différentiel 4, le signal S1 apparaît en mode différentiel et il est transmis libre- ment, avec amplification, vers A2. Le signal S2 est déjà dans le mode normal et il ne retourne pas vers A2. On assure ainsi le passage de signaux bidirec- tionnels simultanés sans former une boucle dans le récep- teur à fréquence vocale pour les signaux Sl et S2. Le principe nouveau du répéteur à fréquence vo- cale sans transformateur, avec un circuit différentiel ac- tif, suit le développement général de l'électronique moder- ne, dans lequel on remplace des inductances lourdes et vo- lumineuses par des circuits amplificateurs opérationnels actifs, principalement dans la gamme audiofréquence. On va maintenant considérer la figure 5 qui mon- tre un circuit répéteur à fréquence vocale conforme à l'in- vention, utilisant des entrées négatives des amplificateurs (entrées inverseuses des amplificateurs opérationnels). Il faut cependant noter qu'on peut utiliser l'entrée positive sans changer le fonctionnement ou les principes de l'in- vention. En ce qui concerne le circuit de la figure 5, les amplificateurs Z2A, Z1A et Z5A d'un c8té de la ligne et Z1B, Z2B et Z5B de l'autre c8té, forment les circuits diffé- rentiels actifs déjà représentés sur le schéma de la figu- re 2. Du fait qu'une ligne téléphonique est toujours un con- ducteur symétrique, trois amplificateurs opérationnels sont nécessaires pour réaliser les fonctions déjà représentées et expliquées en relation avec la figure 3. Cette configuration de trois amplificateurs opéra- tionnels constitue ce qu'on appelle un "amplificateur d'ins- trumentation" et elle accepte des signaux symétriques avec des performances fonctionnelles nettement supérieures à celles du circuit simple représenté sur la figure 3. Elle présente en particulier de bonnes performances en ce qui concerne la réjec- tion du mode normal. Les deux amplificateurs Z1A et Z2A sont identi- ques, du fait qu'ils font partie du même circuit intégré. La relation imposée entre les valeurs des résis- tances pour obtenir la symétrie, qui est une condition in- dispensable pour obtenir une réfection efficace du mode normal, est l'égalité entre elles. On a donc: R1A = R2A = R1OA = RllA R3A = R4A = R9A = R12A R5A = R6A = R13A = R14A Cette égalité constitue un mode de réalisation préféré et doit être maintenue avec une tolérance de al%. Le signal téléphonique provenant du côté "A" de la ligne passe par les résistances R1A et RllA, et il appa- rait en mode différentiel sur les entrées inverseuses de Z1A et Z2A. Ces résistances ont une valeur élevée (très supérieure à l'impédance de la ligne) et n'ont aucune in- fluence sur l'impédance d'entrée. Cette impédance est défi- nie par les résistances R6A et R13A, dont la somme est éga- le à Zo, qui est l'impédance de la ligne. On réalise ainsi l'appariement des impédances entre la ligne et le répéteur à fréquence vocale. Le signal est ensuite amplifié par les amplifica- teurs opérationnels ZlA et Z2A. Du fait que R4A et R3A sont égales, et que R9A et R12A sont égales, les facteurs d'ampli- fication sont: R3A R12A et Rl R1A RllA Ce signal apparaît en mode différentiel sur les entrées de Z5A et il est à nouveau amplifié par le facteur R17A' R18A étant égale à R20A. L'amplificateur Z6A comprend divers circuits né- cessaires pour que l'équipement fonctionne efficacement. Ceux ci comprennent des amplificateurs à gain variable, des filtres passebas et passe-haut, des égaliseurs de phase et des circuits de stabilisation. Tous ces éléments sont classi- ques et largement utilisés dans les circuits classiques. Dans le répéteur à fréquence vocale, ces circuits sont réa- lisés au moyen d'amplificateurs opérationnels, de résis- tances et de condensateurs. Le signal de sortie du circuit Z6A est un signal symétrique qui est transmis au circuit différentiel 4 par deux amplificateurs opérationnels Z3B et Z4B. Pour préser- ver la symétrie du signal, R8B et Ri6B sont égales et R7B et R15B sont égales. Le signal de sortie de Z3B est dirigé vers le c8té "B" de la ligne par deux résistances R6B et R13B. Ces résistances représentent l'impédance de sortie pour ce si- gnal. R5B est égaleà R13B (effet de symétrie) et R5B + R13B = Zo. L'impédance de sortie est donc égale à l'impédance de la ligne. Le signal de sortie provenant de Z3B est appli- qué simultanément par les résistances R5B et R6B (avec R5B égale à R6B) à l'amplificateur opérationnel Z1B (par l'in- termédiaire des résistances RlB et R2B). Ce signal apparaît en mode normal à ZIB, et il n'est pas renvoyé vers le répé- teur à fréquence vocale. L'impédance Zo qui est égale à l'impédance nominale de la ligne fait apparaître le signal de Z3B avec la phase et l'amplitude appropriéesdans les con- ducteurs partant de RlB et R2B. Le signal qui provient de Z4B est transmis par les résistances R13B et R14B (de valeur égale) et il appa- rait en mode normal dans les conducteurs de R1OB et R1lB. L'impédance Zo égalise la phase et l'amplitude de ce signal. Z2B bloque ce signal, empêchant son retour vers le répéteur à fréquence vocale. Le signal qui provient du côté "B" de la ligne apparaît dans les conducteurs de R1B et R2B en mode diffé- rentiel, et il est amplifié et acheminé par Z1B, Z2B et Z5B vers le répéteur à fréquence vocale d'une manière iden- tique à celle du côté "A". Le circuit amplificateur Z6B est identique à Z5A. On a ainsi décrit un mode de réalisation préfé- ré de l'invention, mais il faut noter qu'on peut utiliser diverses autres configurations de circuit sans sortir du cadre des principes de bases de l'invention. REVENDICATIONS 1. Répéteur à fréquence vocale du type utilisé dans un circuit téléphonique entre deux stations distantes pour amplifier le signal vocal dans les deux directions, comprenant des amplificateurs pour les signaux vocaux et des dispositifs destinés à empêcher l'auto-oscillation des amplificateurs, caractérisé par le fait que les dispositifs destinés à empêcher l'auto-oscillation des amplificateurs sont des circuits différentiels (3, 4) comprenant des am- plificateurs opérationnels (Z1A, Z2A, Z5A, ZlB, Z2B, Z5B). 2. Répéteur à fréquence vocale selon la revendi- cation 1, caractérisé par le fait qu'il existe deux circuits différentiels (3, 4), chacun d'eux comprenant trois amplifi- cateurs opérationnels (2). 3. Répéteur à fréquence vocale selon l'une quel- conque des revendications i ou 2, caractérisé par le fait que deux au moins des amplificateurs opérationnels (ZiA, Z2A; ZiB, Z2B) de chaque circuit différentiel (3, 4) consis- tent en un seul circuit intégré.