Brevet FR2658369A1 — publié le 19910816

SYNTHETISEUR A BOUCLE DE DEBRUITAGE. La présente invention concerne un synthétiseur de fréquence muni d'une ou plusieurs boucles de débruitage améliorant, d'une façon considérable, la pureté spectrale obtenue pour une résolution de fréquence donnée. D'une manière classique, un synthétiseur à simple boucle d'asservissement de phase comprend un oscillateur commandé par une tension, un diviseur logique à taux variable et un comparateur de phase qui reçoit une fréquence de référence égale au pas. Cette boucle simple présente un certain nombre de limitations et il est difficile d'accroître le nombre de pas sans compromettre gravement la qualité du signal généré. La solution généralement utilisée pour obtenir un pas de résolution très fin, est de faire appel à une architecture de synthétiseur multiboucle beaucoup plus complexe et dans laquelle la présence de plusieurs fréquences variables non harmoniques entre elles risque de faire apparaître des raies spectrales parasites difficiles à éliminer. L'invention a pour but de permettre la génération d'un grand nombre de pas, tout en conservant une bonne qualité au signal et sans augmenter la complexité et le coût comme dans le cas d'un synthétiseur multiboucle classique. Elle propose à cet effet un synthétiseur de fréquence comprenant une première boucle de verrouillage de phase comportant un premier oscillateur à commande électrique, un diviseur par un taux variable, un premier comparateur de phase recevant une fréquence de référence et un filtre de boucle, cette première boucle à verrouillage de phase déterminant la fréquence moyenne dudit premier oscillateur. Selon l'invention, ce synthétiseur est plus particulièrement caractérisé par l'adjonction d'une seconde boucle à verrouillage de phase avec un second oscillateur à commande électrique dont la fréquence d'oscillation est transformée en peigne de fréquence par un générateur d'harmoniques qui attaque un deuxième comparateur de phase à échantillonnage qui reçoit la fréquence de l'oscillateur et dont la sortie, d'une part, asservit le second oscillateur sur un sous-multiple de la fréquence du premier oscillateur à travers un filtre passe-bas et, d'autre part, est appliquée en commande de fréquence sur le premier oscillateur à travers un filtre passe-haut. L'invention sera mieux comprise et mieux située par rapport à l'art antérieur, en considérant les dessins annexés dans lesquels La figure 1 représente une boucle simple clas sique de synthétiseur ; La figure 2 est le schéma d'une boucle de syn thétiseur selon l'invention Les figures 3 et 4 sont les schémas relatifs à deux variantes d'exécution de la boucle de syn thétiseur selon l'invention. La boucle simple classique fait l'objet de nombreuses réalisations et est souvent intégrée dans un seul circuit monolithique. L'oscillateur 1 attaque le diviseur à taux variable 2 dont le taux de division par un entier N est programmable et dont la sortie est comparée à la fréquence de référence P dans le comparateur de phase 3. La fréquence de référence P peut être une horloge à quartz ou tout autre dispositif de stabilité suffisante. Le comparateur 3 agit à travers le filtre 4 sur la fréquence de l'oscillateur, le tout constituant un circuit bouclé qui, une fois stabilisé, satisfait à l'équation F=NxP où F est la fréquence de l'oscillateur, P est la fréquence de référence qui constituera le pas. La figure 2 reprend les mêmes éléments 1, 2, 3 et 4, mais avec cette fois en plus les éléments supplémentaires propres à l'invention. Le signal de l'oscillateur 1 est envoyé vers un second comparateur de phase 5, du type à échantillonnage qui reçoit, d'autre part, un signal issu du générateur de peigne de fréquence 6, lui-même attaqué par un oscillateur 7. Cet oscillateur 7, dont la fréquence est par exemple 100 fois ou 1000 fois plus basse que celle de l'oscillateur 1, joue un rôle très important, puisqu'il va servir de référence en ce qui concerne la pureté spectrale du synthétiseur, et ceci, selon le mode de fonctionnement qui suit. La fréquence de l'oscillateur 1, imposée par la boucle 2, 3, 4, donnera en sortie de l'échantillonneur 5 avec la raie la plus proche issue de l'oscillateur 7, un battement appliqué à ce même oscillateur 7 à travers un filtre passe-bas 9 constituant une boucle de rétroaction qui, si les éléments sont judicieusement calculés, permet l'asservissement de l'oscillateur 7 sur un sous-multiple entier de la fréquence de ltoscillateur 1. La bande passante de cet asservissement est réglée à une valeur suffisamment basse pour que l'oscillateur 7 conserve sa pureté spectrale et ne soit pas parasité par le bruit généré par l'oscillateur 1. A la sortie de l'échantillonneur 5, apparaît un signal qui est la différence entre le signal de l'oscillateur 1 et l'harmonique de rang N de l'oscillateur 7 dont la composante continue commande l'asservissement de cet oscillateur 7 et dont les composantes de fréquence plus élevées représentent le bruit de phase démodulé de ces deux oscillateurs. Nous supposerons pour l'instant l'oscillateur 7 parfaitement pur et la tension de bruit à la sortie de l'échantillonneur 5 représentera uniquement le bruit de l'oscillateur 1. Cette tension est appliquée à travers un filtre passebande 8 en commande de fréquence de l'oscillateur 1 et réalise ainsi une boucle qui, si elle est dans le bon sens, va diminuer le bruit de phase dans une bande de fréquence déterminée par les filtres 8 et 9, ainsi que par le gain de boucle du système. La référence de fréquence reste donc déterminée par la fréquence P tandis que le bruit de phase est imposé par la qualité de l'oscillateur 7. Il est donc nécessaire que la pureté spectrale de l'oscillateur 7 soit naturellement suffisante par rapport à celle souhaitée pour le synthétiseur. Ce résultat pourra être obtenu du simple fait que sa couverture de fréquence est très faible, d'autant plus faible que le rang d'harmonique utilisé pour l'asservissement est élevé, la variation de fréquence pour passer du rang M au rang M + 1 étant de l'ordre de 1/M. Si M est > 100, un oscillateur à résonateur à onde de surface ou à résonateur au tantalate de lithium est réalisable avec d'excellentes performances. Si M est > 1000, le résonateur peut être un quartz avec la pureté spectrale qu'implique sa très haute surtension. Il peut être avantageux, pour des raisons technologiques, de faire fonctionner l'oscillateur 7 à une fréquence élevée et de la ramener à la valeur désirée à l'aide d'un diviseur logique fixe sans sortir bien évidemment du cadre de la présente invention. La limite du système représenté figure 2 est constituée par l'échantillonneur 5 lui-même qui, lorsque le rapport M du rang d'harmonique devient très grand, sort un signal de bruit démodulé de plus en plus faible. En effet, pour que l'échantillonnage soit possible, il faut que la durée de l'impulsion soit suffisamment courte et compatible avec la fréquence à échantillonner la plus élevée et l'énergie devient trop faible pour que le bruit démodulé soit significatif devant le bruit thermique du dispositif. Un deuxième mode de réalisation, propre à repousser les limites du système de la figure 2 et restant dans le cadre de l'invention, est représenté figure 3. La boucle de base comprenant l'oscillateur 1, le diviseur variable 2, le comparateur de phase 3 et le filtre 4 sont les mêmes, et la boucle de débruitage comporte un oscil lateur 7 dont le rôle est le même que celui du montage précédent, mais l'asservissement et le débruitage ne sont plus obtenus par un simple échantillonneur mais par une suite d'échantillonnages ou de mélanges, de diviseurs et de filtres. L'oscillateur 7, dont la fréquence peut être sensiblement plus élevée que précédemment, attaque un premier échantillonneur 10 qui reçoit d'autre part le signal issu de l'oscillateur 1 et dont le rang d'harmonique M est choisi faible pour ne pas tomber dans les inconvénients cités à propos du premier mode de réalisation. Il est même possible d'aller à la limite et de prendre M = 1 ce qui correspond au mode de réalisation préféré de l'invention, l'échantillonneur devenant un simple mélangeur. Dans ce cas, pris comme exemple non limitatif, la fréquence de l'oscillateur 7 est avantageusement située au centre de la plage couverte par l'oscillateur 1, déterminant ainsi un battement positif, négatif ou nul dirigé vers l'étage suivant. L'oscillateur 7 attaque d'autre part un diviseur 12 par q dont le signal de sortie alimente l'échantillonneur 14 qui reçoit le battement issu du premier mélangeur 10 à travers le filtre passe-bas 11. Le même processus est reproduit à l'étage suivant au moyen du diviseur 16 par r, de l'échantillonneur 5 et du filtre passe-bas 15, le dernier battement étant nul après asservissement de l'oscillateur 7, tandis que le bruit démodulé est appliqué en contre réaction à l'oscillateur 1. Ce système est équivalent à un échantillonnage direct à la fréquence de l'oscillateur 7 divisé par q.r au niveau du fonctionnement en fréquence, mais le fait de cascader un mélange et un certain nombre d'échantillonnages suc cessifs limite le rapport d'échantillonnage à une valeur entière faible évitant ainsi le problème de la diminution des niveaux de fonctionnement et, de ce fait, l'incidence du bruit thermique. Le fonctionnement sera mieux compris à l'aide d'un exemple numérique non limitatif explicité ci-après, qui traite de la réalisation d'un synthétiseur couvrant 200 à 300 MHz par pas de 1 KHz donc avec P = 1 KHz et N = 200 000 à 300 000. Selon la version de l'invention de la figure 3, l'oscillateur 7 pourrait être autour de 250 MHz, ce qui donnerait un battement dans le filtre 9 de 0 à 50 MHz, le taux de division fixe q étant par exemple de 50, ce qui donnerait une première fréquence d'échantillonnage de 5 MHz environ, limitant ainsi le rapport d'échantillonnage à 10. Le deuxième échantillonnage pourrait avantageusement fonctionner à 1 MHz après une division par r = 5 facilitant le filtrage dans le filtre 15 qui doit alors passer 2 MHz et couper la fréquence d'échantillonnage précédente 5 MHz et le rapport est alors au maximum de 2. Pour synthétiser une fréquence de 234,567 MHz, les valeurs sont alors N = 234 567 Fréquence dans 6 234,567 / 234 = 1,00242 MHz Fréquence dans 13 1,00242 x 5 = 5,0121 MHz Fréquence dans 7 5,0121 x 50 = 250,6058 MHz Battement dans 11 250,6058 - 234,567 = 16,0388 MHz Battement dans 15 16,0388 - 3 (5,0121) = 1,00242 MHz Dans cet exemple, le premier échantillonnage travaille au rapport 3 tandis que le second est au rapport 1. Il est à noter que les deux échantillonneurs peuvent travailler au rapport 0, c'est-à-dire recevoir et recopier une tension continue. Le nombre des étages d'échantillonnages successifs de même que les valeurs relatives des fréquences des oscillateurs 1 et 7 peuvent varier sans s'écarter du domaine de la présente invention. Les limites du système représenté sur la figure 2 ne sont plus imposées par l'échantillonneur unique du système de la figure 1 mais par la qualité spectrale de l'oscillateur 7. En effet, sa variation relative de fréquence reste liée directement au rapport qui existe entre la fréquence d'échantillonnage du second échantillonneur et la fréquence de sortie du synthétiseur, c'està-dire la fréquence de l'oscillateur 1. Cette excursion de fréquence implique pour des raisons technologiques une limitation du coefficient de surtension et donc de la qualité spectrale obtenue. Une généralisation de l'idée de base de l'invention permet d'obvier à cet inconvénient en mettant en oeuvre un troisième oscillateur dont l'excursion relative sera encore beaucoup plus faible et qui débruitera l'oscillateur 7. La figure 4 montre ce troisième mode de réalisation suivant l'invention. Les mêmes éléments 1 à 16 que dans la figure 3, remplissent ici les mêmes fonctions. Le troisième oscillateur 17 attaque un mélangeur 18 qui donne un battement filtré par le filtre 19 et acheminé vers un échantillonneur 20. Ce même oscillateur 17 est divisé par S au moyen du diviseur fixe 21 et commande après passage dans un générateur de peigne de fréquence 22, l'échantillonneur 20. Le battement obtenu asservi en bande très étroite à travers le filtre 23, l'oscillateur 17, et le bruit démodulé est envoyé en débruitage vers l'oscillateur 7 après filtrage passe-bande dans le filtre 24. Cette cascade de boucles de débruitage permet d'obtenir un spectre très pur, car l'oscillateur 17 dont la fréquence, si S = 1000 ne varie que de 1/1000sème, peut être un oscillateur à quartz de haute qualité et qui imposera son spectre près de la porteuse, tandis que l'oscillateur 7, à variation de fréquence moyenne, de l'ordre de 1 % pour fixer les idées, imposera son spectre à distances moyennes de la porteuse. Revendications 1. Synthétiseur de fréquence comprenant une première boucle de verrouillage de phase comportant un premier oscillateur à commande électrique (1), un diviseur (2) par un taux variable N, un premier comparateur de phase (3) recevant une fréquence de référence P et un filtre de boucle (4), cette première boucle à verrouillage de phase déterminant la fréquence moyenne dudit premier oscillateur (1), caractérisé par l'adjonction d'une seconde boucle à verrouillage de phase avec un second oscillateur à commande électrique (7) dont la fréquence d'oscillation est transformée en peigne de fréquence par un générateur d'harmoniques (6) qui attaque un deuxième comparateur de phase à échantillonnage (5) qui reçoit la fréquence de l'oscillateur (1) et dont la sortie, d'une part, asservit le second oscillateur (7) sur un sous-multiple de la fréquence du premier oscillateur (1) à travers un filtre passe-bas (9) et, d'autre part, est appliquée en commande de fréquence sur le premier oscillateur (1) à travers un filtre passe-haut (8). 2. Synthétiseur de fréquence à boucles de verrouillage de phase conforme à la revendication 1, caractérisé par l'utilisation d'au moins deux mélangeurs en cascade et d'au moins un diviseur à partir de la fréquence du second oscillateur (7) pour réaliser l'asservissement dudit second oscillateur sur un sousmultiple fractionnaire de la fréquence du premier oscillateur (1). 3. Synthétiseur de fréquence à boucles de verrouillage de phase selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que le premier desdits mélanges s'effectue en mode fondamental à partir de la fréquence du second oscillateur (7), tandis que le ou les suivants s'effectuent en échantillonnage à partir de fréquences obtenues par division de ladite fréquence du second oscillateur (7). 4. Synthétiseur de fréquence à boucles de verrouillage de phase selon l'une des revendications pré cédentes, caractérisé par l'adjonction d'une boucle à verrouillage de phase supplémentaire comprenant un oscillateur supplémentaire (17) et au moins un comparateur de phase à échantillonnage supplémentaire (20) qui asservit ledit oscillateur supplémentaire (17) à travers un filtre passe-bas (23), et qui commande en fréquence le second oscillateur (7) à travers un filtre passe-haut (24).