Brevet FR2647221A1 — publié le 19901123

Chaine de mesure de la caractéristique de bruit de phase additif d'un composant au voisinage d'une fréquence porteuse La présente invention concerne une chaîne de mesure de la caractéristique de bruit de phase additif d'un composant au voisi- nage d'une fréquence porteuse. Le bruit de phase additif (par opposition au bruit de phase de source, que ne concerne pas l'invention) est le bruit de phase oujitter ajouté par un composant donné d'un circuit. L'invention permet avantageusement la mesure du bruit de phase produit par un diviseur de fréquence, qui est typiquement un composant pour lequel le bruit de phase est une caractéristique critique. Cette application n'a cependant aucun caractère limitatif, et l'invention peut aussi bien permettre la mesure des performances de tout composant générant un bruit de phase de nature additive (multiplicateur de fréquence, amplificateur, filtre actif, etc.). La technique métrologique utilisée jusqu'à présent à cet effet consiste à produire, au moyen d'un générateur unique, une fréquence prédéterminée qui alimente conjointement et en quadra- ture deux voies identiques comprenant chacune un exemplaire du composant à caractériser. Les signaux obtenus en aval de ces compo- sants dans chacune des voies sont appliqués aux entrées respectives d'un mélangeur combinant ces deux signaux et délivrant en sortie un signal fonction des écarts de phase instantanés entre les deux voies; le signal en sortie du mélangeur, qui est ensuite détecté et amplifié, donne ainsi une indication du bruit de phase additif du composant à caractériser, le bruit de phase de source du générateur, qui se retrouve identiquement sur les deux voies, étant éliminé par le mélange. Les limites de cette méthode, qui est basée sur le prin- cipe de la détection de phase simple, tient au fait que l'on recueille en sortie du mélangeur non seulement un signal représentatif du bruit de phase additif introduit par le composant à caractériser, mais également d'un bruit additif surajouté par le mélangeur (et ses circuits associés de détection et d'amplification) et par celui des perturbations extérieures. Or, en ce qui concerne le mélangeur, il est très difficile de quantifier son bruit de phase additif propre, qui n'est pas constant et varie notamment en fonction des niveaux de signal appliqués sur ses entrées. Par ailleurs, en ce qui concerne les perturbations exté- rieures, les chaînes de mesure réalisées sur le principe précité sont extrêmement sensibles aux rayonnements et vibrations, du fait que le domaine dans lequel on cherche à caractériser le bruit de phase se situe dans une bande de fréquences étroite autour d'une fréquence centrale donnée (désignée ici " fréquence porteuse "), typiquement dans une plage de 5 à 10 kHz autour de cette fréquence porteuse. Ces fréquences basses correspondant à une amplitude élevée de parasites industriels induits par l'environnement, notamment les rayonnements et les vibrations (qui induisent des parasites dans le circuit par effet microphonique), il est nécessaire de prévoir des blin- dages et des montages antivibratoires extrêmement soignés et d'ef- fectuer la caractérisation du composant dans un environnement métrologique à faible niveau de perturbations extérieures. Ceci augmente considérablement le coût de l'appareil et en limite les possibilités d'emploi. Ainsi, en pratique, pour des composants à caractériser très performants en termes de bruit de phase, le bruit de phase propre du composant est couvert par le bruit de phase surajouté du mélangeur et des perturbations extérieures et qu'il est alors très difficile d'extraire le signal que l'on souhaite mesurer de ces interfé- rences mêlées. L'invention se propose de remédier à l'ensemble des inconvénients précités, en proposant une chaîne de mesure du bruit de phase additif d'un composant qui présente un très faible plancher de bruit. Par son architecture, la chaîne de mesure permettra d'éli- miner l'influence à la fois des perturbations extérieures et des bruits de phase additifs inhérents aux autres composants de la chaîne et procurera ainsi une dynamique de mesure notablement supérieure à celle des chaînes de mesure connues. A cet effet, la chaîne de mesure de l'invention comprend: -une voie centrale et deux voies latérales, comportant chacune un exemplaire dudit composant à caractériser, -une source de signal à ladite fréquence porteuse, cette source étant une source commune alimentant identiquement la voie centrale et les voies latérales, -des moyens pour déphaser en quadrature le signal des voies latérales par rapport à celui de la voie centrale, -deux circuits détecteurs de phase, combinant chacun le signal de la voie centrale au signal de l'une des voies latérales respective de manière à délivrer en sortie un signal fonction des écarts instantanés de phase entre les signaux appliqués en entrée, et -des moyens pour intercorréler les signaux de sortie respectifs de ces deux circuits détecteurs, le résultat de cette inter- corrélation permettant de déterminer la caractéristique de bruit de phase additif propre du composant à caractériser, extraite des bruits de phase additifs surajoutés par les autres éléments de la chaîne et par les perturbations extérieures induites. Selon un certain nombre de caractéristiques avanta- geuses: - les moyens pour déphaser en quadrature le signal des voies latérales par rapport à celui de la voie centrale comprennent deux déphaseurs en quadrature ajustables placés chacun dans l'une des voies latérales en série avec le composant; dans ce cas, si le composant à caractériser est un composant à changement de fréquence, le déphaseur en quadrature ajustable placé en série avec celui-ci l'est de préférence du côté des fréquences les plus élevées; -il est prévu en outre dans chacune des voies latérales ou dans la voie centrale un filtre réjecteur, centré sur la fréquence porteuse et dont la largeur de bande est ajustée de manière à assurer, en sortie des circuits détecteurs de phase, la réjection des produits d'interspectres de bruits attachés aux raies composites engendrées par le composant; - chacune des voies latérales et/ou la voie centrale comprennent un atténuateur variable permettant d'ajuster les niveaux relatifs des signaux appliqués en entrée des circuits détec- teurs de phase; -les circuits détecteurs de phase comprennent chacun un mélangeur et un circuit amplificateur et intégrateur en sortie de ce mélangeur; et -il est prévu en outre des moyens pour établir la trans- formée de Fourier du résultat de l'intercorrélation, de manière à déterminer la densité spectrale de puissance de bruit de phase du composant à caractériser. On va maintenant décrire, en référence aux figures annexées, un exemple de mise en oeuvre de l'invention. La figure 1 est une représentation schématique par blocs de la chaîne de mesure de l'invention. La figure 2 illustre une caractéristique, relevé sur le circuit de la figure 1, donnant la densité spectrale de bruit plancher en fonction de l'écart par rapport à la!fréquence porteuse. Sur la figure 1, la référence 1 désigne le composant à caractériser, dont trois exemplaires (supposés identiques) sont placés dans trois voies alimentées en commun par une source 2 de signal à la fréquence porteuse (par exemple, une source à la fréquence f0 = 3 GHz, autour-de laquelle on souhaite caractériser le composant) par l'intermédiaire d'un diviseur de puissance ou power splitter à trois voies, de manière à permettre un fonctionnement dynamique synchronisé des trois voies à la fréquence porteuse voulue. Les voies latérales comportent chacune un déphaseur x12, ajus- table, permettant de déphaser d'un quart de période le signal de chacune des voies latérales par rapport à celui de la voie centrale (en variante, on pourrait également utiliser un déphaseur unique placé sur la voie centrale, mais dans ce cas, il ne serait pas possible d'ajuster séparément la quadrature exacte de chacune des voies latérales). On notera incidemment que, lorsque le composant à caractériser 1 est un composant A changement de fréquence, on place de préférence le déphaseur 4 du côté des fréquences les plus élevées, ce qui permet d'utiliser une ligne de plus faible dimension; ainsi, si le composant 1 est un diviseur de fréquence, on placera le déphaseur 4 en amont de celui-ci et, inversement, s'il s'agit d'un multiplicateur de fréquence, on le placera en aval de ce multiplica- teur. Le signal en sortie de la voie latérale est combiné au signal en sortie de chacune des voies latérales dans un circuit détec- teur de phase 5 recevant sur ses entrées les signaux correspondants, le signal de la voie centrale étant réparti identiquement sur les deux détecteurs de phase 5 au moyen d'un diviseur de puissance à deux voies 6. Des atténuateurs 7, placés en sortie des différentes voies, permettent d'ajuster les niveaux d'entrée des détecteurs de phase 5 de manière à avoir rigoureusement les mêmes niveaux sur les deux entrées de chacun des mélangeurs; ceci -permet d'assurer l'ajuste- ment précis de la quadrature par détection de zéro en sortie du circuit 5. Les sorties X(t) et Y(t) respectives des détecteurs de phase 5 sont appliquées à une unité d'acquisition et de traitement 8 (par exemple un micro-ordinateur attaqué en entrée par un conver- tisseur analogique/numérique) qui numérise (par exemple sur 12 bits), échantillonne et enregistre les données pendant un temps d'ob- servation suffisant pour que les opérations effectuées sur ces diffé- rents échantillons fournissent un résultat significatif (au sens des règles du traitement numérique du signal); les résultats obtenus seront visualisés en 9. En ce qui concerne les circuits détecteurs de phase 5, chacun d'entre eux comporte un mélangeur 10, qui est un mélangeur double équilibré à diodes de type classique, compatible en puissance avec les signaux utilisés (le bruit propre de ce mélangeur, contraire- ment aux techniques de l'art antérieur, est sans importance dans le choix du mélangeur car, comme on l'expliquera plus loin, ce bruit 2647221. propre sera éliminé par le traitement exécuté dans l'unité 8). On obtient en sortie du mélangeur 10 un signal représen- tatif de écarts de phase entre le signal de la voie centrale et celui de la voie latérale correspondante, sous la forme d'une tension continue proportionnelle à cet écart de phase, à laquelle se surajoute le bruit additif des éléments de la chaîne (essentiellement celui du compo- sant à caractériser 1 et celui du mélangeur 10). Si l'on ajuste conve- nablement les niveaux au moyen des atténuateurs 7, la tension continue en sortie du mélangeur sera nulle (quadrature rigoureuse) et le seul signal délivré sera donc le signal de bruit de phase. Ce signal de bruit de phase, qui est de très faible niveau (typiquement, de l'ordre de quelques microvolts sur une impédance de 50 f) est amplifié et intégré par un ensemble comprenant un filtre passe-bas 11 et un amplificateur 12, donnant ainsi en sortie un signal X(t) ou Y(t) compatible en niveau (quelques volts) et en impé- dance (haute impédance) avec le convertisseur analogique/numé- rique de l'unité d'acquisition 8; le filtre passe-bas 11 assure la réjec- tion des composantes de mélange d'ordre supérieur à celui de la fréquence porteuse fo. Avantageusement, il est prévu en outre, dans chacune des voies latérales, un filtre 13 centré sur la fréquence porteuse et dont la sélectivité est choisie de manière à réduire les effets de non- linéarité dûs aux produits d'interspectres après mélange: en effet, certains composants à caractériser 1 (tels que les diviseurs de fréquence tout particulièrement) génèrent en sortie des harmoni- ques, de niveau relativement important, du signal à la fréquence porteuse qui leur est appliqué en entrée; les raies harmoniques ainsi produites sont bien entendu affectées du même bruit de phase que la raie principale, à laquelle on s'intéresse. Or, comme les mélangeurs 10 agissent en multiplicateurs de fréquence, ils vont donner des produits à partir de toutes les raies parasites et donc sur tous les interspectres liés à ces raies parasites et, en l'absence de précautions particulières, la caractéristique de bruit donnée par la chaîne de mesure prendrait en compte cette anomalie, ce qui dégraderait d'autant le plancher de bruit global de la chaîne de mesure. C'est pour cette raison que l'on prévoit le filtre 13 qui permet, en sortie du composant, d'éliminer la totalité des raies para- sites générées par le composant 1, en ne conservant que la raie prin- cipale correspondant à la fréquence porteuse fondamentale fo. Dans le cas particulier d'un diviseur de fréquence par 4 et d'une fréquence porteuse de 3 GHz, on peut ainsi utiliser un filtre ne laissant passer qu'une largeur de bande de 750 MHz autour de la fréquence porteuse. On notera qu'il n'est pas nécessaire de prévoir un tel filtre dans la voie centrale: en effet, le rôle de ce filtre est d'éliminer les produits d'interspectres et il suffit d'éliminer les raies parasites de l'un des deux facteurs de ce produit pour atteindre le résultat voulu. Il est préférable que le filtre 13 soit un filtre passif, pour ne pas introduire de bruit de phase additif propre qui viendrait créer une perturbation supplémentaire. On va maintenant décrire le traitement du signal opéré par l'unité d'acquisition et de traitement 8. On supposera que le bruit de phase additif introduit par le composant à caractériser est un bruit sans particularité fonda- mentale, c'est-à-dire que, en ce qui concerne la nature des sources de bruit, il vérifie les hypothèses classiques de stationnarité, indépen- dance et distribution spectrale gaussienne. Si l'on suppose que l'on a réalisé une quadrature exacte, on obtient des signaux X(t) et Y(t) de la forme suivante (les fluctua- tions de phase étant très faibles, on assimile ficateur) de chaque voie. Les bruits de phase propres bx(t) et by(t) constituaient dans la technique antérieure une nuisance que, grâce à la présente invention, on va pouvoir éliminer, ce qui procurera ainsi un accrois- sement de la dynamique de mesure du système. On va montrer la manière dont, dans l'unité d'acquisition et de traitement 8, on peut extraire par intercorrélation de ces deux signaux X(t) et Y(t) la densité spectrale de puissance de bruit de phase attachée au composant 1 inséré dans la voie centrale. -15 En effet, si l'on exprime selon l'algèbre des espérances mathématiques la fonction intercorrélation Rxy des deux signaux X(t) et Y(t), on obtient: RxY(T) = E { X(t) Y(t-)}, soit: Rxy() = K1 Ky E { pt) - '(t-r)}. Compte tenu de l'hypothèse faite plus haut d'indépen- dance des événements associés dans les autres termes de l'opéra- tion, et si l'on a Kx = Ky = K, K étant une valeur connue (les mélan- geurs et leurs circuits associés étant étalonnés), on obtient: Ry(t) = K2 C [p'(t)], c'est-à-dire, à un facteur près, la fonction d'autocorréla- tion de la variable aléatoire i'(t). La transformée de Fourier de cette fonction d'autocorrélation (domaine temporel) donne la densité spec- trale (domaine fréquentiel) de puissance de bruit de phase, qui est la -2647221 caractéristique généralement recherchée. En d'autres termes, tout ce qui, sur les voies extérieures, est corrélé (tout particulièrement, le bruit de phase additif surajouté par le mélangeur 10) disparaît, et l'on obtient comme résultat du traitement l'autocorrélation du bruit de phase additif introduit dans la voie du milieu, c'est-à-dire le bruit de phase additif du seul composant 1. On obtient ainsi une augmentation importante de la dynamique par rapport aux systèmes de l'art antérieur le gain théorique que l'on peut ainsi obtenir est de l'ordre de 20 dB, et l'on constate qu'une chaîne de mesure simple, réalisée sans précaution particulière en ce qui concerne la protection contre les rayonne- ments et les vibrations, procure déjà un gain supérieur à 6 dB par rapport à une chaine de mesure de l'art antérieur très protégée contre les rayonnements et les vibrations, donc de coût notablement supérieur. La figure 2 illustre le plancher de bruit du système (c'est- à-dire le bruit obtenu en court-circuitant les composants à caracté- riser), donné par la densité spectrale SA,(f) en fonction de l'écart f de fréquence par rapport à la fréquence porteuse (ici, une fréquence de 3 GHz). On voit que l'on obtient un bruit plancher minimal de l'ordre de 178 dBc/Hz - valeur inférieure au bruit thermique - et un plancher de bruit nominal à 1000 Hz de - 166 dBc/Hz. REVENDICATIONS 1. Une chaîne de mesure de la caractéristique de bruit de phase additif d'un composant au voisinage d'une fréquence porteuse, caractérisée en ce qu'elle comprend: - une voie centrale et deux voies latérales, comportant chacune un exemplaire dudit composant (1) à caractériser, -une source (2) de signal à ladite fréquence porteuse (fo), cette source étant une source commune alimentant identique- ment la voie centrale et les voies latérales, -des moyens (4) pour déphaser en quadrature le signal des voies latérales par rapport à celui de la voie centrale, - deux circuits détecteurs de phase (5), combinant chacun le signal de la voie centrale au signal de l'une des voies laté- rales respective de manière à délivrer en sortie un signal (X(t); Y(t)) fonction des écarts instantanés de phase (p'(t) - p(t); cp'(t)- p"(t)) entre les signaux appliqués en entrée, et des moyens (8) pour intercorréler les signaux de sortie respectifs de ces deux circuits détecteurs, le résultat de cette inter- corrélation permettant de déterminer la caractéristique de bruit de phase additif propre du composant à caractériser, extraite des bruits de phase additifs surajoutés par les autres éléments de la chaîne et par les perturbations extérieures induites. 2. La chaîne de mesure de la revendication 1, dans laquelle les moyens pour déphaser en quadrature le signal des voies * latérales par rapport à celui de la voie centrale comprennent deux déphaseurs en quadrature ajustables (4) placés chacun dans l'une des voies latérales en série avec le composant. 3. La chaîne de mesure de la revendication 2, dans laquelle, Iorsque le composant à caractériser est un composant à changement de fréquence, le déphaseur en quadrature ajustable (4) placé en série avec celui-ci l'est du côté des fréquences les plus élevées. 4. La chaîne de mesure de la revendication 1, compre- nant en outre dans chacune des voies latérales ou dans la voie centrale un filtre réjecteur (13), centré sur la fréquence porteuse (fo) et dont la largeur de bande est ajustée de manière à assurer, en sortie des circuits détecteurs de phase, la réfection des produits d'in- terspectres de bruits attachés aux raies composites engendrées par le composant. 5. La chaîne de mesure de la revendication 1, dans laquelle chacune des voies latérales et/ou la voie centrale compren- nent un atténuateur variable (7) permettant d'ajuster les niveaux relatifs des signaux appliqués en entrée des circuits détecteurs de phase. 6. La chaîne de mesure de la revendication 1, dans laquelle les circuits détecteurs de phase (5) comprennent chacun un mélangeur (10) et un circuit amplificateur (12) et intégrateur (11) en sortie de ce mélangeur. 7. La chaîne de mesure de la revendication 1, compre- nant en outre des moyens (8) pour établir la transformée de Fourier du résultat de l'intercorrélation, de manière à déterminer la densité spectrale de puissance de bruit de phase du composant à caracté- riser.