Brevet FR2674336A1 — publié le 19920925

Dispositif comparateur de phase à grande dynamique La présente invention concerne un dispositif comparateur de phase à grande dynamique utilisable dans une boucle à asser- vissement de phase. Elle s'applique notamment à la réalisation de boucles de calcul de delta pseudo-distances dans les récepteurs de radio- navigation par satellite GPS. Une boucle à asservissement de phase se compose classique- ment de trois éléments formés par un oscillateur local à fré- quence variable encore connu sous les abréviations VCO ou NCO, un comparateur de phase pour discriminer l'écart de phase existant entre le signal fourni par l'oscillateur local et un signal incident, un amplificateur et un filtre de boucle comman- dant la fréquence de l'oscillateur local à partir de l'écart de phase fourni par le comparateur de phase. Avec une telle boucle, la fréquence de l'oscillateur n'est plus efficacement contrôlée soit du fait que le niveau du signal incident diminue, quand le rapport signal à bruit est trop fai- ble dans la bande passante définie par le filtre de boucle, soit que la dynamique de phase du comparateur de phase, c'est à dire son aptitude à fournir un signal valide lorsque la différence de phase entre le signal de référence et le signal incident est importante, est dépassée par les excursions de phases du signal. Dans ces conditions, pour obtenir des mesures de bonne qualité sur un signal incident bruité ou de faible valeur il y a lieu de diminuer la bande passante de la boucle d'asservissement de phase Ceci est réalisé en augmentant la constante de temps de filtrage, mais alors le traînage de la boucle aux variations de phase entre le signal incident et le signal de référence est augmenté et il faut pour éviter un décrochage de la boucle que le comparateur de phase puisse accepter de travailler sur des écarts de phase importants. Cependant les comparateurs de phase connus des types OU exclusif, tangente, cotangente limitent à quelques radians l'écart de phase entre le signal incident et le signal de réfé- rence Cela conduit pour des excursions plus importantes à em- ployer des comparateurs de fonctions de transfert non linéaires ce qui complique beaucoup la réalisation du dispositif, et fait perdre en général l'information de différence de phase pendant un temps limité. Le but de l'invention est de pallier les inconvénients précités. A cet effet, l'invention a pour objet un dispositif compa- rateur de phase à grande dynamique comportant un comparateur de phase dont la caractéristique de transfert est linéaire pour mesurer sur une plage de phase déterminée l'écart de phase existant entre un signal incident et un signal de référence local fourni par un générateur de signal à phase contrôlé carac- térisé en ce qu'il comprend d'une part, un circuit d'accumula- tion de phase couplé à la sortie du comparateur de phase pour accumuler successivement à des instants déterminés les écarts de phase mesurés par le comparateur de phase et commander le générateur de signal à phase contrôlée pour que sa phase suive en permanence la somme de la phase du signal de référence ex- terne et de la valeur des écarts de phase cumulés dans le cir- cuit d'accumulation et d'autre part, un circuit additionneur couplé à la sortie du circuit d'accumulation de phase et à la sortie du comparateur pour additionner au contenu du circuit d'accumulation l'écart de phase mesuré par le comparateur de phase. Le dispositif comparateur de phase selon l'invention a pour avantage qu'il permet d'obtenir une dynamique de phase qui peut être étendue à volonté et dont la caractéristique de transfert monotone parfaitement linéaire simplifie le calcul des boucles à asservissement de phase et permet de ne jamais perdre l'information de différence de phase dans la boucle. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront ci-après à l'aide de la description qui suit faite en regard des dessins annexés qui représentent: La figure 1 un mode de réalisation d'un dispositif compa- rateur de phase selon l'invention. La figure 2 un graphe montrant l'évolution en fonction du temps de signaux a(t), b(t) et M(t) caractéristiques du mode de réalisation de la figure 1. Le dispositif comparateur de phase selon l'invention qui est représenté à la figure 1 comporte un comparateur de phase 1, couplé par l'intermédiaire d'un circuit échantillonneur blo- queur 2 à un circuit d'accumulation de phase 3 représenté à l'intérieur d'une ligne fermée en pointillés Il comprend égale- ment un circuit additionneur 4 à deux entrées d'opérandes re- liées respectivement à la sortie du circuit d'accumulation 3 et à la sortie du comparateur de phase 1, ainsi qu'un générateur de sauts de phase commandé par la sortie du circuit d'accumula- tion 3 transformant le signal e de référence global, en un signal e 2 de référence local. Le comparateur de phase 1 peut être formé par tout type de circuit "OU exclusif" classique, capable de mesurer linéaire- ment une différence de phase entre deux entrées écrêtées e 1 et e 2, comprise par exemple entre + et 45 degrés L'entrée e reçoit le signal incident et l'entrée e 2 du comparateur de phase 1 reçoit le signal de référence global corrigé par les écarts de phase ou sauts de phase fournis par une sortie du générateur 5. Le circuit d'accumulation 3 comporte de façon connue un registre accumulateur 6 rebouclé sur son entrée par l'intermé- diaire d'une première entrée d'opérande d'un circuit addition- neur 7, la deuxième entrée d'opérande du circuit additionneur 7 étant reliée à la sortie du circuit échantillonneur bloqueur 2. Le circuit d'accumulation 3 joint au circuit additionneur 4 et au générateur de saut de phase 5 permet à l'ensemble du dispositif de fournir un écart de phase continûment variable indépendamment de la dynamique de phase plus ou moins réduite du circuit comparateur 1. En effet, en programmant le générateur 5 de façon que la phase obtenue à sa sortie soit égale à la phase mémorisée dans le registre accumulateur 6, il suffit de charger dans le regis- tre accumulateur 6 à un instant d'initialisation t=t l'écart de o phase a existant entre les deux entrées e 1 et e 2 du comparateur de phase i pour annuler l'écart de phase entre les entrées e 1 et e 2 du comparateur 1. A un instant t +T plus tard l'écart de phase a devient O o a(T) Cette valeur a(T) est alors échantillonnée comme le montre la figure 2 par l'échantillonneur bloqueur 2, pour être ensuite appliquée sur la première entrée d'opérande du circuit additionneur 7 Au contenu M du registre accumulateur 6 est alors ajouté la valeur a(T) La quantité M=M+a(T) ainsi obtenue est appliqué à l'entrée du générateur 5 et l'écart de phase a(T) qui lui correspond est à son tour appliqué sur la deuxième en- trée e 2 d'opérande du circuit comparateur 1 Ceci a pour con- séquence une remise à zéro du signal a(t) obtenu à la sortie du circuit comparateur 1 Pendant ce temps la sortie du circuit additionneur 4 fournit un signal b(t)=M+a(t) représentant l'addi- tion de l'écart a(t) au contenu M du registre 6 L'avantage est que cette dernière opération ne fait pas apparaître de disconti- nuité sur la variable b(t) car si l'écart de phase a(T) à la sortie du circuit comparateur 1 passe de la valeur a(t) à la valeur O le contenu du registre accumulateur 6 passe de M(T) à M(T)+a(T) Ainsi bien que la variable a(t) soit discontinue, la variable représentant l'écart de phase b(t) obtenu à la sortie du circuit additionneur 4 apparaît toujours continue. Naturellement les calculs précédents peuvent être recommen- cés à chaque nouvelle période de temps T Le but de ces opéra- tions est évidemment de limiter l'excursion de phase pendant la durée T entre les entrées e 1 et e 2 du comparateur 1 à une valeur compatible avec sa dynamique réelle et toute la valeur de T répondant à cette condition peut convenir Par conséquent, lors de la construction par exemple d'une boucle à verrouillage de phase la période T devra être choisie en fonction des caracté- ristiques du filtre de la boucle de phase pour que l'évolution de la différence de phase incidente et de la phase de référence ne dépasse pas 450 en module pendant chaque intervalle d'obser- vation T On peut aussi penser à commander automatiquement l'échantillonneur bloqueur lorsque la valeur de a(t) atteint une limite préétablie, ce qui économise l'horloge externe de période T En général, la durée de T pourra être choisie très faible devant les constantes de temps de filtrage, pour ne faire inter- venir que les caractéristiques de dynamique de phase du signal incident. La dynamique du dispositif comparateur de phase qui vient d'être décrit n'est limitée que par la capacité de mémorisation du registre accumulateur 6 et des possibilités de l'additionneur 4 Cependant, il est très facile de déterminer la taille de ces deux éléments avec un nombre de bits tel que la dynamique du comparateur puisse atteindre plusieurs dizaines de milliers de tours, de sorte qu'en pratique il n'y ait plus à considérer de limitation dynamique en phase due au comparateur de phase. Naturellement, dans le cas o il faut préserver l'informa- tion d'amplitude du signal incident à travers le dispositif comparateur de phase selon l'invention, à la manière de ce qui est réalisé par exemple dans une boucle de Costas, une détection l'amplitude du signal incident sur la première entrée d'opérande du comparateur de phase I peut être effectuée avant de former par écrêtage le signal incident e,; l'information d'amplitude peut alors être fournie en modulant par l'angle de phase b(t) obtenu à la sortie du circuit additionneur, l'information d'am- plitude détectée, car alors l'information fournie au circuit accumulateur 3 et au circuit additionneur 4 ne représente que la phase du signal et non pas son amplitude. REVENDICATIONS 1 Dispositif comparateur de phase à grande dynamique pour boucle à verrouillage de phase comportant un comparateur de phase ( 1) pour mesurer sur une plage de phase déterminée l'écart de phase existant entre un signal incident et un signal de référence fourni par un générateur de signal à phase contrôlé ( 5) caractérisé en ce qu'il comprend d'une part, un circuit d'accumulation de phase ( 3) couplé à la sortie du comparateur de phase ( 1) pour accumuler successivement à des instants détermi- nés les écarts de phase mesurés par le comparateur de phase ( 1) et commander le générateur de signal à phase contrôlée ( 5) pour que sa phase suive en permanence la valeur des écarts de phase cumulés dans le circuit d'accumulation ( 3) et d'autre part, un circuit additionneur couplé à la sortie du circuit d'accumula- tion de phase ( 3) et à la sortie du comparateur ( 1) pour addi- tionner au contenu du circuit d'accumulation l'écart de phase mesuré par le comparateur de phase ( 1). 2 Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que le circuit d'accumulation de phase ( 3) est couplé au compara- teur de phase ( 1) par l'intermédiaire d'un circuit échantillon- neur-bloqueur ( 2) pour échantillonner à des instants déterminés (T) l'écart de phase mesuré par le comparateur de phase ( 1) avant de l'appliquer à l'entrée du circuit d'accumulateur de phase ( 3). 3 Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 et 2 caractérisé en ce que le circuit d'accumulation de phase ( 3) comprend un registre accumulateur ( 6) chargé par la sortie d'un circuit additionneur ( 7) à deux entrées d'opérandes, la première entrée d'opérande étant reliée à la sortie du circuit échantillonneur bloqueur ( 2) et la deuxième entrée d'opérande étant reliée à la sortie du registre accumulateur ( 6). 4 Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1, 2 et 3 caractérisé en ce que le circuit d'échantillonnage blo- cage ( 2) est commandé soit par une horloge externe de période fixe T, soit par un dispositif vérifiant que la valeur a(t) ne dépasse pas en module une limite a définie par la dynamique propre du comparateur ( 1). propre du comparateur ( 1).