Brevet FR2565440A1 — publié le 19851206

256544C -- 1 -- ETAGE SYNTHETISEUR DE FREQUENCE COMPORTANT DEUX BOUCLES A VERROUILLAGE DE PHASE DONT LA SECONDE MULTIPLIE LA FREQUENCE DE LA PREMIERE PAR UN FACTEUR VOISIN DE L'UNITE. L'invention concerne un étage de synthèse de fréquence destiné à engendrer des fréquences très élevées en ajoutant des grands pas de fréquence à une fréquence, par exemple issue des étages précédents d'un synthétiseur et comportant elle-même des pas de fréquence plus petits. Il est connu, par le brevet français No 73 17650 déposé par la Demanderesse le 16 Mai 1973 pour "Générateur de signaux électriques à fréquence variable apte à fonctionner dans une large gamme", de réaliser une telle sommation de fréquence au moyen de deux oscillateurs à commande par tension asser- vis chacun par une boucle à verrouillage de phase, la première boucle divisant la fréquence Fo + A issue des éta- ges précédents (A étant la somme des petits pas) par un entier variable N au moyen d'un diviseur programmable et lui ajoutant une fréquence étalon P qui représente le grand pas, tandis que la seconde boucle multiplie la fréquence intermé- diaire FA fournie par la première boucle par le même facteur N pour donner une fréquence de sortie FS = Fo + A + NP. L'inconvénient de ce mode de génération des grands pas est que la fréquence FA et, par conséquent, le bruit de phase qui affecte la fréquence de sortie sont multipliés par un -2- facteur N qui est d'autant plus grand que le nombre de pas requis est plus élevé. Selon la demande de brevet français No 80 27872 déposée par la Demanderesse le 31 Décembre 1980 pour "Synthétiseur de fréquence à multiplicateur fractionnaire", on remplace le facteur de division N par un facteur NR + M, R et M étant des entiers, et le facteur de multiplication N par un fac- teur R fois plus faible N + M/R. On réduit ainsi le bruit de phase qui affecte Fs dans un rapport R, sans réduire le nombre de grands pas. Ce procédé est toutefois limité, en pratique, à la synthèse de 40 ou 50 grands pas avec une dégradation de la pureté spectrale de l'ordre de 20 dB, correspondant à R = 4 ou 5. L'invention vise à s'affranchir de cette limitation et à obtenir un facteur de multiplication du bruit de phase par la deuxième boucle voisin de l'unité, tout en couvrant une gamme de fréquences de sortie importante avec un nombre de grands pas très élevé. Suivant l'invention, la première boucle est agencée pour diviser la fréquence d'entrée (Fo + A) par un premier fac- teur rationnel N ayant un nombre de valeurs programmables fonction du nombre de grands pas désiré et pour comparer le résultat de cette division à un battement entre le quotient, par un second facteur rationnel Q, de la fréquence intermé- diaire FA engendrée par la première boucle et une fréquence étalon P, tandis que la seconde boucle est agencée pour multiplier la fréquence intermédiaire FA par un troisième facteur rationnel qui soit dans un rapport simple avec le premier facteur rationnel N, les deux premiers facteurs rationnels et la fréquence étalon étant choisis pour que la fréquence intermédiaire FA soit située dans la bande de variation désirée pour la fréquence de sortie FS - 3 - Suivant une première particularité de l'invention, le pre- mier facteur rationnel N est choisi pour que le rapport Fs/FA reste de l'ordre de grandeur de l'unité dans les limites de variation de à et de N et le produit PQ est choisi de façon à être du même ordre de grandeur que la moyenne arithmétique des valeurs limites désirées pour Fs. Suivant une seconde particularité de l'invention, la deuxiè- me boucle comporte un mélangeur effectuant le battement entre les fréquences FA et FS, un premier échantillonneur effectuant le battement entre la fréquence issue du mélan- geur et un harmonique du quotient de FA par un premier rapport fixe, un second échantillonneur effectuant le batte- ment entre la fréquence issue du premier échantillonneur et un harmonique du quotient de FA par un second rapport fixe, et ainsi de suite, le dernier échantillonneur fournissant une tension ou un courant de commande de l'oscillateur de la deuxième boucle. L'invention sera mieux comprise à l'aide de la description ci-après. Au dessin annexé: La figure 1 est un schéma de principe d'un étage synthétiseur suivant l'invention, dont La figure 2 représente un mode d'exécution préféré. A la figure 1, on a représenté une première boucle à ver- rouillage de phase comprenant un oscillateur 01 à commande par tension ou courant, dont l'entrée de commande de fré- quence est reliée à la sortie d'un comparateur de phase CP1. Celui-ci reçoit sur une entrée la fréquence (Fo + A)/N obtenue dans un diviseur D1 à taux programmable N et, sur son autre entrée, un battement issu d'un mélangeur M, après filtrage par un filtre passe-bande FL qui ne transmet que la différence des fréquences appliquées à M. Celles-ci sont -- 4 --25544 -4- constituées par une fréquence 'talon P et par FA/Q, FA étant la fréquence de sortie de l'oscillateur 01 et Q le taux de division d'un diviseur fixe D2. En régime permanent, on peut écrire: (Fo + /N = IFÀ/Q - PI, d'o: FA - Q [P + (Fo + N](1) Une deuxième boucle à verrouillage de phase comprend un oscillateur 02 a commande par tension ou courant, dont l'entrée de commande de fréquence est reliée à la sortie d'un comparateur de phase à échantillonnage CP2. Celui-ci :15 reçoit sur une entrée un harmonique, fourni par un généra- teur d'harmoniques Tn, de la fréquence FA/Rn obtenue à la sortie d'un diviseur Kn de rapport fixe Rn et, sur son autre entrée, le battement obtenu dans un mélangeur M2, après filtrage dans un filtre passe-bande FM2 qui ne transmet que le battement soustractif. M2 reçoit, d'une part, un harmoni- que, fourni par un générateur T2, d'une fréquence FA/R2 obtenue à la sortie d'un diviseur K2 de rapport fixe R2, d'autre part, le battement obtenu dans un mélangeur Mi, après filtrage dans un filtre passe-bande FM1 qui ne trans- met que le battement soustractif. Enfin, Mi reçoit, d'une part, un harmonique, fourni par un générateur T1, d'une fréquence FA/Ri obtenue à la sortie d'un diviseur K1 de taux fixe R1, d'autre part, le battement obtenu dans un mélange M. qui reçoit FA et la 'fréquence de sortie FS de 02, après filtrage dans un filtre FM0. Il doit &tre bien compris que la deuxième boucle qui vient d'être décrite comprend n dis- positifs diviseurs et échantillonneurs tels que (K1 -T1 - M), (K2 - T2 - M2>... jusqu'au dernier (Kn - TnCP2), n étant un entier égal à 1, 2 ou, de préférence, 3 ou plus. En régime permanent de la seconde boucle, on peut écrire: S0(Fs-FA) 'SltlFA/R1-S2t2FA/R2-' -Sn-1tn-1A/Rn-1=SntnFA/Rn -5 tl,1 t2... tn_1, tn étant les taux d'harmoniques appliqués à M1, M2... Mn-1 Mn et S0, S1... Sn_1, Sn étant des coefficients égaux à + 1 et qui dépendent de celle des deux fréquences appliquées à Mo, M1, M2... Mnl, CP2 qui est la plus grande. D'o: S0 FS = FA [sO + Z1n (Si ti/Ri)] ou encore FS = FA [1 + Eln (S'i ti/Ri) avec S'i = si= + 1 Soit R le plus petit commun multiple des nombres entiers R1, R2... Rnl, Rn. L'un quelconque Ri d'entre eux peut s'écrire: Ri = R/Zi, Zi étant un entier Par conséquent: FS = FA + 1 S ti Zi) ou, si l'on pose N' = R + Eln S'i Zi ti: FS = FA N'/R (2) Des équations (1) et (2), on tire: FS = N'QP/R + (Fo + A).N'Q/RN I1 suffit alors de choisir les nombres Ri et Q de telle façon que N' = K1N, K1 étant un nombre rationnel, pour que Fs = K1Q [NP/R + (Fo + A)/R] =. N. P + Fo +] Si l'on considère maintenant comme données les limites de variation de Fs, le nombre de grands pas et la fréquence d'entrée Fo + A; le montage de la figure 1 effectuant d'abord une division par N, N devra évidemment prendre -6 - autant de valeurs que l'on veut obtenir de grands pas et en outre, on s'imposera en pratique une valeur centrale de N qui soit voisine de R/K1. En effet, avec cette contrainte, FA reste de l'ordre de grandeur de Fs. Q peut être un nombre rationnel quelconque, y compris 1 (le diviseur D2 étant remplacé par un montage plus complexe si Q est fractionnaire), mais on s'impose la deuxième contrainte que PQ soit voisin de la valeur centrale de Fs, ou tout au moins soit situé dans la bande de variation de Fs, qui est une donnée. Le choix du facteur Q dépend alors de la valeur de l'étalon P choisi. La fréquence de sortie, d'après la formule donnée plus haut, vaiepa ps P. Q.K1 varie par pas de R et ce pas est une donnée. Donc K1Q Q (1 + E Si ti/Ri) R N doit être une constante de valeur donnée en rapport avec le pas, la fréquence étalon et le facteur Q, ce qui impose une troisième contrainte sur En Si ti/Ri, donc sur les taux d'harmoniques et les taux de E1 division des échantillonneurs de la seconde boucle. Les trois contraintes ci-dessus ayant été respectées, le rapport FS/FA sera voisin de l'unité. En effet, ce rapport est N'/R = 1 + E1n Si ti/Ri et E1n Si ti/Ri est nécessaire- ment petit. Dans ces conditions, le bruit engendré par la première boucle ne sera multiplié par la seconde boucle que par un taux faible. Pour faciliter l'explication complète des propriétés du montage de la figure 1, on en a donné, à la figure 2, un mode d'exécution préféré. A titre d'exemple, la fréquence de sortie FS que doit engen- drer le montage de la figure 2 varie entre 1000 et 2000 MHz et la fréquence d'entrée, provenant par exemple des étages précédents d'un synthétiseur, comprend une valeur fixe Fo -7- égale à 200 MHz et un incrément à variable entre 0 et MHz par "petits pas", cette expression désignant des pas aussi petits que l'on veut, et qui dépendent des étages qui précèdent. La première boucle est identique à celle de la figure 1, avec Q = 15, P = 100 MHz et l'entier N variable entre 98 et 197. La seconde boucle comprend deux dispositifs diviseurs- échantillonneurs (D2 T1 M1) et (D2 - D3 T2 CP2), c'est-à-dire qu'elle est du même type qu'à la figure 1, en écrivant: R1 = Q et R2 = Qr, r étant le rapport fixe de division de D3. Dans l'exemple considéré, r = 10, le filtre FM transmet les fréquences 0 à 500 MHz, le filtre FM2, les fréquences 0 à MHz. Le montage de la figure 2 comporte en outre une boucle d'approche de fréquence 02 D4 D6 - CP3 D5... L'entrée de commande de fréquence de 02 est reliée, d'une part, à la sortie de CP2, d'autre part, à travers un inter- rupteur I, à la sortie d'un comparateur de phase CP3, dont une entrée reçoit la fréquence FS après division par un entier K dans un diviseur fixe D4 et par N (variable entre 98 et 197) dans un diviseur programmable D6. L'autre entrée de CP3 reçoit la fréquence de sortie de D3, après division par K dans un diviseur fixe D5. La boucle d'asservissement de phase D4 - D6 CP3 - D5 est mise en service à la mise sous tension du montage et à chaque changement du nombre N des grands pas, l'interrupteur I étant alors fermé. -8- Lorsqu'il en est ainsi, la fréquence de 02 est asservie de façon telle que les fréquences appliquées à CP3 deviennent identiques, c'est-à- dire FA/QrK = FS/NK, d'o FS = FA.N/Q.r. (3) En remplaçant FA par sa valeur tirée de l'équation (1) dans (3), il vient: (étant entendu qu'avec les valeurs données dans cet exemple, c'est le signe + qu'il convient d'écrire dans la formule (1) précédente) Fs = (Fo + A + NP)/r Dans l'exemple considéré, FS = 200 à 300 MHz + (98 à S 10 197).10 MHz, ce qui donne la fréquence variable entre 1000 et 2000 MHz désirée. La pureté spectrale de FS qui serait obtenue avec cette bou- cle d'approche de fréquence est insuffisante. En effet, pour permettre la réalisation pratique du diviseur D6,- qui pourra par exemple fonctionner à 200 MHz, on aura K = 10 au moins, si bien que le taux de multiplication de fréquence K.N. introduit par la boucle sera compris entre 980 et 1970. Il en résulte une perte d'au moins 60 dB sur le rapport signal/bruit, ce qui n'est pas acceptable en régime normal de fonctionnement. C'est pourquoi, dès que l'approche de fréquence est termi- née, l'interrupteur I est ouvert (par des moyens connus non figurés) et c'est alors CP2 qui effectue l'asservissement de 01. L'égalisation des fréquences qui attaquent CP2 donne: S0 (FS - FA) - S1 T1 FA/Q = S2 T2 FA/Q.r avec S0 = + 1 suivant le signe du battement filtré par FM0 S1 = + 1 suivant le signe du battement filtré par FM1 et S2 = + 1 suivant les grandeurs relatives des fréquen- ces appliquées à CP2. On en déduit: 1 F S1 T1 S2 T2 ou encore, avec S' 1 = S' = rS 1-eSO '2 S0 = O- FS = FA Qr + S 1 Tlr+ S'2T2r Qr Si l'on compare les équations (4) et (3), on en déduit que, pour que la fréquence finale imposée par la boucle d'asser- vissement en service établi soit la même que la fréquence d'approche, il faut que: Q.r + S'1 Tlr + S'2 T2 = N soit, dans l'exemple de réalisation choisi: N = 150 + 10 S'1 T1 + S 2 Pour fixer les idées, on considèrera une valeur particulière de la fréquence Fo + A, soit Fo + = 210 MHz et une valeur particulière de N, soit N = 171. On a alors: F 21o FA = 15 (271 + 100) = 1518,421053 MHz FS = 1518,421053 MHz x 171 = 1731 MHz On obtient alors dans FL1 le battement Fs - FA = 212,578948 MHz. - 10 - La fréquence de sortie de D2 est: FA/Q = 101,22807 MHz dont le deuxième harmonique est 202,456140 MHz (T1 = 2). Le battement dans M1 donne: 212,578948 - 202,456140 10,122807 MHz. La fréquence de sortie de D3 est: FA/Qr = 10,122807. On aura donc, pour T2 = 1, un battement nul dans CP2. Dans le cas particulier o N = Qr, soit 150 dans l'exemple considéré, on a FA = Fs = 1520 à 1530 MHz. Les battements à la sortie de M0 et M1 sont alors nuls. Les composantes continues correspondantes sont transmises par FMo et FM1. On notera que, si N diffère de Qr d'une unité, la différence entre FS et FA est égale à FA/Qr. Or, FA est égale à 1500 MHz + E, avec s variable entre (200 98 300 MHz), soit entre 15,225 MHz et 45,915 MHz et, 98 à 197 par conséquent FA/Qr est très voisin de 10 MHz. Cette diffé- rence minimum entre FA et FS est facile à filtrer dans FM0. On va maintenant procéder à une analyse plus approfondie du fonctionnement du montage quand la boucle principale est en service, pour en montrer tout l'intérêt en ce qui concerne la pureté spectrale obtenue. Soit Ba le bruit qui entache le signal Fo + A, Bp le bruit qui entache la fréquence étalon P, BFA le bruit de l'oscil- lateur 01 dans la première boucle d'asservissement et BFS le bruit qui entache le signal de sortie du montage. - 11 - De l'équation (1), l'on déduit BFA = Q ( 2 + B2 en faisant la somme quadratique des bruits sur les termes Fo + à et P et en multipliant cette somme par Q). N On sait que le bruit de phase d'un oscillateur asservi, défini dans une bande de largeur 1 Hz, est d'autant plus faible que la bande d'asservissement nécessaire est elle- même plus étroite et la largeur de cette bande d'asservisse- ment nécessaire est d'autant plus faible que l'oscillateur possède un spectre de bruit plus étroit. Or, pour des raisons technologiques, un tel spectre étroit ne peut être obtenu en pratique que si le AF/F imposé à l'oscillateur est petit. Il est clair, d'après ce qui précède, que la fréquence FA ne varie que de 30 MHz environ, ce qui représente à peu près % de la valeur de FA. Pour un AF/F aussi petit, l'oscilla- teur asservi remplira la condition indiquée ci-dessus et ne fera en quelque sorte que recopier les bruits affectant les éléments précédents (Fo + A et P). La particularité du montage décrit qui consiste à utiliser un oscillateur auxi- liaire à très faible plage de variation de fréquence permet donc, d'une part, d'utiliser un oscillateur auxiliaire très performant, d'autre part, de le faire travailler avec un bruit en mode asservi sensiblement inférieur à son bruit propre. Pour que la plage de variation de FA soit aussi faible que possible, on s'est arrangé pour que la partie fixe de FA soit sensiblement située au milieu de la plage de variation de Fs. S'étant fixé cette dernière, soit 1000 à 2000 MHz dans l'exemple considéré, on prend donc PQ = 1500. Comme le grand pas de la fréquence de sortie est finalement P/r, si l'on veut par exemple avoir des grands pas de MHz, on prendra r = 10 et P = 100, d'o Q = 15. Des formules précédentes, on tire, dans l'exemple considé- ré: 20 à 30 + 10 N = 1000 à 2000, d'o N = 98 à 197. - 12 - Si l'on examine maintenant le bruit BFS, il comprend un premier terme BFA x N/Qr (équation 3) et un second terme, essentiellement constitué par la contribution des échantil- lonneurs M1 et CP2. Cette contribution est faible du fait que les taux de multiplication T1 et T2 sont faibles (cela résulte du fonctionnement connu d'un échantillonneur). En la négligeant, on voit finalement que le bruit de sortie n'est multiplié que par le facteur N/Qr, qui varie de 0, 653 à 1,313, par rapport à celui qui affecte FA, c'est-à-dire, qu'il diffère du bruit qui affecte FA d'un nombre de déci- bels compris entre -4 et +2,3. On notera qu'il serait possible d'augmenter le nombre des échantillonneurs: pour obtenir, par exemple, des pas de 1 MHz, il suffirait d'ajouter un troisième échantillonneur, attaqué par un diviseur par 10, suivi d'un générateur d'harmoniques, et qui recevrait par ailleurs le battement issu de CP1, pour engendrer la tension de commande de 02. La boucle d'approche numérique D4 - D5 - D6 - CP3 pourrait être remplacée par un dispositif d'approche analogique, par exemple dans le cas o 01 serait du type YIG. Il doit être bien compris qu'un dispositif d'approche devra également être prévu dans le montage de la figure 1, la deuxième boucle n'étant qu'une boucle de maintien et non une boucle de positionnement de la fréquence. La constitution de -la première boucle d'asservissement qui engendre FA et FA/Q, pourra elle-même faire l'objet de variantes. A titre d'exemple, on pourrait placer le diviseur D2 par Q entre M et CP1 et remplacer la fréquence étalon par PQ, ou encore, supprimer complètement D2 et diviser par N dans D l'harmonique Q de Fo + A. On notera que le montage de la figure 2 se déduit du cas plus général de la figure 1 en posant n = 2, R1 = Q et R2 = Qr, - 13 - d'o R = Qr et N' = Qr +Z12 Si Qr Ti = Qr (1 + SlT1/Q + S2T2/Qr) N' = Qr + S1 T1 r + S2 T2. I1 résulte de ce qui précède que N' = N et par conséquent, K1 = 1. D'o FS = Q E NP/R + (Fo + A).R] = (Fo + A + NP)/r. - 14 - Revendications de brevet 1. Dispositif de synthèse de fréquence comportant un premier et un second oscillateurs à commande par tension ou courant asservis chacun par une boucle à verrouillage de phase, la première boucle effectuant la division de la fréquence d'entrée (Fo + A) par un premier facteur rationnel N ayant un nombre de valeurs programmables fonction du nombre de grands pas désiré et comparant le quotient à un battement entre le quotient par un second facteur rationnel Q, de la fréquence intermédiaire FA qu'elle engendre et une fréquence étalon P, tandis que la seconde boucle est agencée pour multiplier la fréquence intermédiaire FA par un troi- sième facteur rationnel qui soit dans un rapport simple avec le premier facteur rationnel N, caractérisé en ce que les deux premiers facteurs rationnels et la fréquence étalon sont choisis pour que la fréquence intermédiaire FA soit sensiblement située dans la bande de variation désirée pour la fréquence FS de l'oscillateur de la seconde boucle. 2. Dispositif de synthèse-de fréquence selon la reven- dication 1, caractérisé en ce que le premier facteur rationnel N est choisi pour que le rapport Fs/FA reste de l'ordre de grandeur de l'unité dans les limites de variation de A et de N et le produit PQ est choisi de façon à être du même ordre de grandeur que la moyenne arithmétique des valeurs limites désirées pour FS. 3. Dispositif de synthèse de fréquence selon la reven- dication 1 ou 2, caractérisé en ce que la deuxième boucle comporte un mélan- geur effectuant le battement entre les fréquences FA et Fs, un premier échantillonneur effectuant le battement entre la fréquence issue du mélangeur et un harmonique du quotient de FA par un premier rapport fixe, un second échantillonneur effectuant le battement entre la fréquence issue du premier - 15 - échantillonneur et un harmonique du quotient de FA par un second rapport fixe, et ainsi de suite, le dernier échantil- lonneur fournissant une tension ou un courant de commande de l'oscillateur de la deuxième boucle. 4. Dispositif de synthèse de fréquence selon la reven- dication 3, caractérisé en ce que la somme algébrique E = S1n Si ti/Ri des quotients par lesdits rapports fixes de division Ri des rangs ti desdits harmoniques, en tenant compte des signes Si des différents battements effectués par lesdits échantil- lonneurs et filtrés par des filtres appropriés, est choisie pour que l'expression (1 + E)/N soit une constante égale au rapport entre la valeur imposée pour le grand pas et la fréquence étalon choisie. 5. Dispositif de synthèse de fréquence selon la reven- dication 3 ou 4, caractérisé en ce qu'il comprend deux échantillonneurs, le rapport de division associé au premier étant pris égal à Q et le rapport de division associé au second, égal à Qr, r étant un nombre entier.