Brevet FR2651393A1 — publié le 19910301

Disposition de récupération de porteuse à boucle de Costas L'invention concerne un dispositif de récupération de porteuse à boucle de Costas. Un tel dispositif est utilisable notamment, en spatial, dans un transpondeur bande S à étalement de spectre pour la mise à poste et le maintien à poste de satellites. Un document de la NASA STDN N 203.8 intitulé "Performance and design requirements specification for the second generation TDRSS user transponder" d'Avril 1986 définit l'utilisation d'un tel transpondeur dont le temps d'acquisition de porteuse doit notamment être inférieur à secondes avec une probabilité de 90%. Le rôle d'une boucle de Costas dans un récepteur à étalement de spectre est de permettre une démodulation cohérente des données et, dans le cas d'une boucle longue, d'offrir la possibilité d'avoir un émetteur cohérent avec le récepteur. Une telle boucle doit inclure un indicateur d'accrochage et permettre la fonction de contrôle automatique de gain dans le récepteur. La fonction globale à réaliser est dépendante de contraintes liées aux spécifications du signal d'entrée du récepteur: - Fréquence d'entrée (pente de la variation et écart maximum); - Rapport signal à densité de bruit minimum; - Rythme de bits; - Pertes de démodulation; - Temps d'accrochage de la boucle. Ces contraintes sont contradictoires et ont oblige, jusqu'à présent, les constructeurs à définir des plages d'utilisation en fonction du rapport signal à densité de bruit à l'entrée. L'invention a pour objet de résoudre ces différents problèmes. L'invention propose à cet effet un dispositif de récupération de porteuse à boucle de Costas comportant un oscillateur commandé en tension et deux filtres de bras reliés à cet oscillateur par l'intermédiaire d'un filtre de boucle, caractérisé en ce que les deux filtres de bras ont des caractéristiques différentes, et en ce que le filtre de boucle est relié à l'oscillateur commandé en tension au travers de deux voies: - 2 - - une voie directe; - et une voie parallèle comportant un amplificateur en série avec un filtre. L'invention permet de supprimer les plages d'utilisation définies précédemment et d'améliorer le service rendu en tenant compte de toutes les spécifications à la fois. D'autre part, grâce à celle-ci les stations sol de poursuite de satellites peuvent être simplifiées. L'invention permet, de plus: - de réaliser une fonction discriminateur de fréquence de façon à acquérir le signal rapidement, ceci même avec une bande de boucle étroite; - de réaliser un diviseur d'erreur de phase statique dans la bande de boucle pour pouvoir poursuivre les rampes de Doppler sans compensation avec une boucle étroite et aider à une acquisition rapide. Les caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description qui va suivre, à titre d'exemple non limitatif, en référence aux dessins annexés sur lesquels: - la figure 1 illustre un dispositif de l'art antérieur; - la figure 2 illustre le dispositif de l'invention. Le synoptique représenté à la figure 1 est celui d'un dispositif de l'art connu. Dans une démodulation cohérente de signaux modulés linéairement se pose le problème de récupération de la porteuse. Une boucle de Costas est une structure bouclée qui permet d'obtenir l'estimation de phase de la porteuse: La bande passante du filtre de boucle qui détermine la durée de la réponse impulsionnelle peut être choisie d'autant plus étroite que la phase de la porteuse émise est stable. Une telle boucle comporte deux modulateurs en anneau 10 et 11 reliés en entrées d'une part au signal d'entrée E et à la sortie d'un oscillateur commandé en tension 12, via un déphaseur de 90 13 pour l'un d'eux. Les sorties de ces deux modulateurs sont reliées respectivement à deux filtres 14 et 15 dont les sorties sont reliées à un troisième modulateur en anneau 16. Un filtre 17 dit "filtre de boucle" est interposé entre ce modulateur et l'oscillateur commandé en tension. L'oscillateur contr8lé en tension 12 suit la porteuse du signal -3d'entrée (E). Les filtres 14 et 15, dits "filtres de bras", ont une fréquence de coupure sensiblement égale au rythme de bits. Le filtre 17 définit la bande boucle et donc les plages de fonctionnement. Une telle solution fait appel à une boucle de Costas du second ordre dont on commute la bande de boucle en fonction de la qualité du signal d'entrée. Lorsque le rapport signal à densité de bruit (S/No) augmente à l'entrée du récepteur, on augmente la bande de boucle ( A f) de façon à pouvoir poursuivre des rampes de fréquence plus élevées sans faire décrocher le récepteur et en diminuant les pertes de démodulation. Inversement, si le rapport signal à densité de bruit (S/No) diminue, on diminue la bande de boucle (It f) du récepteur de façon à ne pas décrocher sur des "pics" de bruit. Dans ce cas, il faut veiller à limiter les variations de fréquence en entrée sinon le récepteur aura de fortes pertes et finira par décrocher. De même, sur une boucle conventionnelle, la diminution de cette bande de boucle ralentit le phénomène d'acquisition de la boucle. Les performances des systèmes de l'art connu sont les suivantes: _ pour un - 7 33 dBHz, A f/ tT T 70 Hz/sec (donc le doppler No doit être compensé au sol); - pour un- S 40 dBHz, f/ A T 380 Hz/sec (il n'y a plus de No compensation nécessaire). Le temps d'accrochage est inférieur à 5 secondes pour un écart de 1400 Hz maximum. Le dispositif de l'invention est représenté à la figure 2. Sur cette figure les circuits analogues à ceux représentés de la figure 1 ont conservé les mêmes références. Le filtre de boucle 17 est à présent relié à l'oscillateur commandé en tension 12 au travers de deux voies: - une voie directe 18; - et une voie parallèle 19 comportant un amplificateur 20 en série avec un filtre 21; 4 ces deux voies étant sommées grâce à un sommateur 22. Un tel dispositif permet d'obtenir un seuil bas (33 dBHz) tout en se donnant la possibilité de suivre des rampes de Doppler élevées ( 7/ 380 Hz/sec) sans décrocher le récepteur et même en ayant de bonnes performances en termes de pertes. (Ces pertes sont liées aux erreurs de phases statiques élevées de la boucle étroite t Z A 2) w n De plus, même avec une boucle étroite, on peut s'accrocher rapidement pour améliorer le service rendu à l'utilisateur. Le choix de la bande de boucle se fait en fonction du seuil minimum. Cette bande de boucle est inchangée par la suite. Pour une acquisition rapide du signal, on dissymétrise les filtres de bras 14 et 15. Cette différence de temps de groupe entre les deux filtres crée un signal d'erreur proportionnel à l'écart initial de fréquence. Le temps d'acquisition est divisé par 10 (0.5 secondes au lieu de 5 secondes) ; le filtre 15 du second bras étant choisi au moins fois plus large que le filtre 14 du premier bras. Pour pouvoir suivre des rampes de fréquence supérieures aux valeurs habituelles (il existe un rapport 7 6) et acquérir le signal encore plus rapidement, on ajoute en sortie du filtre de boucle 17 un système parallèle filtre 21 + gain 20 dont le rôle est de diviser les erreurs de phase statiques, en ne rendant opérant le gain 20 que pour des fréquences très basses: Pour que la boucle fonctione avec sa bande préalablement fixée et qu'elle soit stable, il est impératif que ce système soit inopérant au delà de w /5. Un tel système crée une boucle du second ordre dont les performances sont proches de celles d'un troisième ordre, tout en restant simple à fabriquer. Les performances sont les suivantes: S/No 33 dBHz, d f/ZA T 4 500 Hz/sec. L'accrochage pour une à f de 1400 Hz est réalisé en 0.5 seconde. La pulsation propre de la boucle est w = 100 rad/sec. n Avec un gain de 6 en tension on peut suivre avec une boucle étroite des rampes 6 fois plus élevées qu'avec le dispositif représenté à la figure 1. De plus, ce gain continue additionnel joue un rôle -5 d'accélérateur pour l'acquisition en fréquence. Ainsi le dispositif de l'invention permet avantageusement: - un accrochage plus rapide (0.5 seconde au lieu de 5 secondes) de la boucle de poursuite de la porteuse, donc de la fonction de démodulation; - une poursuite de la porteuse montante sans précompensation de l'effet Doppler au niveau des stations "sol", ceci même au seuil du récepteur (seuil pour la poursuite sans compensation inférieur de 6 dB à celui des dispositifs de l'art connu. Il est bien entendu que la présente invention n'a été décrite et représentée qu'à titre d'exemple préférentiel et que l'on pourra remplacer ses éléments constitutifs par des éléments équivalents sans, pour autant, sortir du cadre de l'invention. -6- REVENDICATIONS 1/ Dispositif de récupération de porteuse à boucle de Costas comportant un oscillateur commandé en tension (12) et deux filtres de bras (14, 15) reliés à cet oscillateur par l'intermédiaire d'un filtre de boucle (12), caractérisé en ce que les deux filtres de bras (14, 15) ont des caractéristiques différentes, et en ce que le filtre de boucle (17) est relié à l'oscillateur commandé en tension (12) au travers de deux voies: une voie directe (18) - et une voie parallèle (19) comportant un amplificateur (20) en série avec un filtre (21). 2/ Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le filtre (15) du second bras est au moins cinq fois plus large que le filtre (14) du premier bras. 3/ Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'amplificateur (20) de la voie parallèle (19) a un gain en tension de 6. 4/ Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le filtre (21) de la voie parallèle (19) ne rend opérant cette voie parallèle que pour de très basses fréquences, par exemple inférieure à w /5; w étant la pulsation propre de la boucle directe. la pulsation propre de la boucle directe.