Brevet FR2681197A1 — publié le 19930312

DESCRIPTION Domaine technique La présente invention a pour objet un discri- minateur de fréquence tronqué Elle trouve une applica- tion en télécommunications et notamment en télécom- munications optiques o elle permet de réaliser des récepteurs cohérents. Etat de la technique antérieure Un discriminateur de fréquence est un circuit qui convertit un signal modulé de fréquence en un signal modu Lé en amplitude Un tel circuit est défini par sa caractéristique de transfert, qui traduit la variation de la tension du signal de sortie en fonction de la fréquence du signal d'entrée. De tels circuits sont utilisés en réception hétérodyne Le signal incident modulé en fréquence est d'abord mélangé à un signal local de fréquence différente, ce qui conduit à un signal à une fréquence intermédiaire qui est la fréquence de battement Cette fréquence se situe généralement vers quelques Giga- hertz Le signal à la fréquence intermédiaire fait ensuite l'objet d'une démodulation de fréquence à l'aide d'un discriminateur. La structure générale d'un discriminateur de fréquence est représentée sur la figure 1 annexée. Elle comprend une entrée générale E, un coupleur C possédant une entrée Ce et une première et une seconde sorties Cs 1, Cs 2, une première voie reliée à la premiè- re sortie Csl et une seconde voie reliée à la seconde sortie Cs 2, un circuit de retard CAR disposé dans la seconde voie, un mélangeur M possédant une première et une seconde entrée Me 1, Me 2, la première entrée Me 1 étant reliée à la première voie et la seconde entrée Me 2 étant reliée à la seconde voie et une sortie Ms La sortie générale S du discriminateur fournit une tension dont l'amplitude reflète les variations de fréquence du signal de battement. On peut trouver une description générale de tels circuits dans l'article de T G HODGKINSON et al, intitu Lé "Coherent optical fibre transmission systems", publié dans la revue Br Telecom Technol. J., vol 3, n 3, pp 5-18, Juillet 1985, ou dans l'article de I GARRETT et al, intitulé "Theory of optical heterodyne narrow-dejiation FSK receivers with delay demodulation", publié dans J Lightwave Technol, vol LT-6, Septembre 1988, pp 1415-1423, ou encore dans l'article de H TSUSHIMA et al intitulé "AMI-CPFSK Heterodyne Transmission Experiment Using a Novel Delay-Line Demodulation Method", publié dans Electronics Letters, 2 août 1990, vol 26, n 16, pp 1269-1270. En pratique, le mélangeur recevant les deux signaux retardés l'un par rapport à l'autre est consti- tué par deux diodes SCHOTTKY non polarisées montées en série, avec un point milieu relié à la sortie géné- rale Un tel circuit conduit à une caractéristique de transfert de forme quasi sinusoldale Les abscisses du maximum (f 2) et du minimum (f 1) de la courbe de réponse dépendent du temps de retard et du déphasage entre les sorties du séparateur et entre les entrées du mélangeur. Au voisinage de la fréquence d'accord fo du discriminateur, la caractéristique de transfert est linéaire, c'est-à-dire que la variation de tension de sortie 4 Vo est proportionnelle à la variation de fréquence àfo du signal d'entrée avec une pente Vo/,fo importante. Dans le cas des systèmes de télécommunica- tions optiques utilisant des diodes laser, les fréquen- ces d'émission sont affectées d'un bruit de phase très important se traduisant par une largeur spectrale de la raie d'émission de quelques Mégahertz à quelques dizaines de Mégahertz En réception hétérodyne, on obtient un signal de battement dont la largeur spec- tra Ie en l'absence de modulation est la somme des largeurs spectrales des lasers émetteur et oscillateur local Lorsque cette fréquence de battement est calée sur la fréquence d'accord fo du discriminateur, ce dernier convertit le bruit de phase des lasers en bruit d'amplitude et l'on obtient des fluctuations très importantes de tension de bruit à la sortie du discriminateur. En général, on module le Laser émetteur par déplacement de fréquence (modulation dite FSK pour "Frequency Shift Keying") avec un code binaire par exemple, de telle sorte que la fréquence de bat- tement reste dans la plage linéaire centrée autour de la fréquence d'accord f O du discriminateur Il en résulte alors une conversion du bruit de phase en bruit d'amplitude. Exposé de l'invention La présente invention a justement pour but de remédier à cet inconvénient A cette fin, elle propose de modifier les discriminateurs connus de telle sorte que la caractéristique fréquence-tension soit tronquée, c'est-à-dire présente, aux extrémités inférieure et supérieure, une plage large horizontale o une variation &f 1 de fl (respectivement 6 f 2 de f 2) corresponde à une variation &v 1 (respectivement v 2) de la tension de sortie très petite vis-à-vis de àvo. En outre la fréquence du signal de battement prend la valeur fl correspondant à l'état O ou la valeur f 2 correspondant à l'état 1 Elle va donc se trouver dans l'une ou l'autre des deux régions tron- quées de la caractéristique de transfert et, par consé- quent, la conversion du bruit de phase en bruit d'amplitude sera très faible On recueillera, après le discriminateur tronqué, une tension de bruit beaucoup plus faible qu'avec les discriminateurs de l'art antérieur. Durant les transitions entre les fréquences fl et f 2, le signal de battement traversera la zone linéaire et le discriminateur fournira alors une ten- sion de bruit importante Cependant, ces états transi- toires sont brefs par rapport à la durée des états 0 et 1 et leurs contributions à la tension de bruit totale doivent être pondérées dans le temps. Globalement, la tension de bruit résultante sera diminuée par rapport à celle que fournirait un discriminateur non tronqué et tout se passera comme si la largeur spectrale effective due à la caractéris- tique du discriminateur tronqué était réduite d'un facteur compris entre 3 et 5 par rapport à la largeur spectrale du signal de battement avant le discrimi- nateur tronqué. Le discriminateur de fréquence tronqué de l'invention permet l'emploi de diodes laser présentant des largeurs de raie beaucoup plus importantes que dans l'art antérieur A titre d'exemple, avec un discriminateur classique, il faut une largeur de raie de battement inférieure à 0,5 % du débit numérique pour obtenir un plancher de taux d'erreur de 10-9 pour une modulation FSK Avec le discriminateur tronqué de l'invention, les inventeurs ont vérifié expérimenta- lement que la largeur de raie de battement pouvait être accrue jusqu'à 3,5 % du débit numérique pour un taux d'erreur de 10-10 Cet accroissement de tolérance autorise l'usage de diodes laser ayant une spécifica- tion en bruit de phase plus re Lâchée et plus économique à produire. Un autre intérêt apporté par la caractéris- tique tronquée est sa plus grande immunité à une répon- se non uniforme en modulation de fréquence de la diode laser Lorsque cette dernière est modu Lée par un cou- rant d'amplitude constante, la déviation de la fré- quence optique n'est pas constante mais varie selon la fréquence du courant de modulation Un discrimina- teur de fréquence linéaire reproduit les déviations de la fréquence de battement et donne une tension de sortie dont l'amplitude est irrégulière et dépend du signal modulant Pour réduire ces distorsions, on peut égaliser la réponse en modulation de fréquence de la diode laser La fonction de correction dépend fortement de l'échantillon, de la température, du courant de polarisation, etc Elle est sujette à trop d'aléas pour que la correction soit parfaite. Un second moyen pour réduire les distorsions de tension fournies par le discriminateur linéaire est d'écrêter les amplitudes C'est justement le rôle du discrimi- nateur tronqué de l'invention, à condition que les fréquences correspondant aux états 0 et 1 soient si- tuées dans les plages tronquées Les déviations de fréquence autour de fl et de f 2 sont alors converties en déviations de tensions avec des amplitudes très faibles tant qu'elles restent dans les limites des plages tronquées Comme celles-ci sont plus larges que dans le cas d'un discriminateur de fréquence clas- sique, le discriminateur tronqué présente une plus grande immunité vis-àvis de la réponse non uniforme des diodes laser en modulation de fréquence. Des mesures comparatives effectuées sur un système à 140 Mbit/s avec un discriminateur linéaire et un discriminateur tronqué ont montré que le taux d'erreur plancher a été réduit à 5 10-10 (soit une amélioration d'un facteur 500) avec une séquence de test pseudo-a Léatoire de 127 éLéments binaires. Tous ces résultats sont atteints par l'inven- tion en dotant le discriminateur de moyens supp Lémen- taires permettant d'ajuster les différents signaux dans leur amplitude et Leur phase, et d'ajuster égale- ment le point de fonctionnement des diodes SCHOTTKY. Selon l'invention, le coupleur est précédé d'un ampli- ficateur de puissance, chaque voie est pourvue d'un circuit d'ajustement de la phase, les deux diodes SCHOTTKY sont associées à des circuits permettant de les polariser très légèrement en direct, et la fréquence de battement prend la valeur fl ou f 2, ces fréquences étant situées dans les plages tronquées. Brève description des dessins la figure 1, déjà décrite, montre le schéma général d'un discriminateur; la figure 2 illustre un discriminateur tronqué selon la présente invention; la figure 3 montre la caractéristique de transfert du discriminateur de l'inven- tion. Exposé détaillé d'un mode de réalisation Le discriminateur de fréquence représenté sur la figure 2 comprend des moyens déjà représentés sur la figure 1, à savoir: une entrée générale E, un coupleur C à une entrée Ce et à une première et seconde sortie Cs 1, Cs 2, une première voie reliée à la première sortie Cs 1 et une seconde voie reliée à la seconde sortie Cs 2, un circuit de retard CAR disposé dans la seconde voie, un mélangeur M à une première et une seconde entrées Me 1, Me 2, la première entrée Me 1 étant reliée à la première voie et la secon- de entrée Me 2 étant reliée à la seconde voie Ce mélan- geur est constitué par une première diode SCHOTTKY D 51 reliée à la première voie et par une seconde diode SCHOTTKY D 52 reliée à la seconde voie, ces deux diodes étant montées en série et présentant un point milieu Ms relié à la sortie générale S du discriminateur. Le discriminateur de la figure 2 est caracté- risé par le fait qu'il comprend en outre: un amplificateur de puissance A disposé entre l'entrée générale E et le coupleur C, dans la première voie, un premier circuit d'ajustement de phase CA Pl suivi d'un premier condensateur de liaison C 1, dans la seconde voie, un second circuit d'ajustement de phase CAP 2 suivi d'un second condensateur de liaison C 2, un premier circuit de polarisation de la première diode SCHOTTKY comprenant une première source de tension réglable V 1 apte à polariser faiblement en direct la première diode D 51, un second circuit de polarisation de la seconde diode SCHOTTKY comprenant une seconde source de tension réglable V 2 apte à polariser faiblement en direct la seconde diode D 52. Pour obtenir la caractéristique de transfert tronquée, il faut que l'amplificateur de puissance A puisse délivrer un signal non modulé d'au moins + 7 d Bm Le retard apporté par le circuit CAR est déter- miné en fonction du débit du signal numérique modulant en fréquence le laser émetteur Les deux circuits d'ajustement de phase CA Pl et CAP 2 permettent de caler les fréquences fl et f 2 sur les plages horizontales de la caractéristique de transfert. Les deux circuits de polarisation sont constitués par des sources de tension réglables présentant une impédance de source L, R et sont reliés l'un à l'anode d'une des diodes SCHOTTKY et l'autre à la cathode de l'autre diode Les tensions fournies polarisent les diodes en direct avec des potentiels très faibles, de quelques dizaines de millivolts aux bornes de chacune d'elles Les ajustements de potentiels sont tels que l'on obtienne la troncature de la caractéristique de transfert avec des amplitudes maximale et minimale plates de part et d'autre du niveau O volt. Le gain de l'amplificateur A peut être réglé automatiquement à la valeur appropriée par un circuit de contrôle automatique de gain non représenté qui reboucle la sortie de l'amplificateur à une entrée de réglage du gain de cet amplificateur. La caractéristique de transfert typique obtenue est illustrée sur la figure 3 La fréquence du signal d'entrée Fe est portée en abscisses et la tension de sortie Vs en ordonnées La valeur fo désigne la fréquence d'accord, fl la fréquence inférieure, f 2 la fréquence supérieure; 4 f 1 désigne la variation de fréquence autour de la fréquence inférieure et 4 f 2 La variation de La fréquence autour de La fréquence supérieure; 4 vo est La variation de tension correspon- dant à une variation de fréquence 4 fo autour de La fréquence d'accord, Àv 1 et Av 2 sont les variations de tension aux extrémités de La caractéristique. REVENDICATION Discriminateur de fréquence comprenant une entrée généra Le (E), un coup Leur (C) à une entrée (Ce) et à une première et une seconde sorties (Cs 1, Cs 2), une première voie reliée à la première sortie (Cs 1) et une seconde voie re Liée à la seconde sortie (Cs 2), un circuit de retard (CAR) disposé dans la seconde voie, un mélangeur (M) à une première et une seconde entrées (Me 1, Me 2), la première entrée (Me 1) étant reliée à la première voie et la seconde entrée (Me 2) étant reliée à la seconde voie, ce mélangeur étant constitué par une première diode SCHOTTKY (D 51) reliée à la première voie et par une seconde diode SCHOTTKY (D 52) reliée à la seconde voie, ces deux diodes étant montées en série et présentant un point milieu (Ms) relié à une sortie générale (S) du discriminateur, ce discriminateur étant caractérisé par le fait qu'il comprend en outre: un amplificateur de puissance (A) disposé entre l'entrée générale (E) et le coupleur (C), dans la première voie, un premier circuit d'ajustement de phase (CAP 1), dans la seconde voie, un second circuit d'ajustement de phase (CAP 2), un premier circuit de polarisation de la première diode SCHOTTKY comprenant une première source de tension réglable (V 1) apte à polariser faiblement en direct la première diode (D 51), un second circuit de polarisation de la seconde diode SCHOTTKY comprenant une seconde source de tension réglable (V 2) apte à polariser faiblement en direct 1 1 La seconde diode (D 52), L'amplificateur A, les premier et second circuits d'ajustement de phase (CAP 1, CAP 2) et les premier et second circuits de polarisation (V 1, V 2) étant5 ajustés pour que le discriminateur présente une caractéristique de transfert avec deux extrémités larges et plates.