Brevet FR2693841A1 — publié le 19940121

La présente invention concerne un procédé et un appareil de traitement de signaux numériques, convenant en particulier à la formation d'un faisceau agile (c'est-à- dire entièrement dirigeable) à l'aide d'un aérien en phase à N éléments. La formation d'un faisceau numérique à domaines de fréquences met en oeuvre l'enveloppe complexe échantil- lonnée en bande de base du signal du faisceau Dans une architecture classique de formation numérique de signaux, un faisceau ayant la direction d'émission est créé par direction d'une copie de la séquence d'échantillonnage du signal, multipliée par un poids complexe spécifique à l'élément, à chaque élément de l'aérien Pour la création d'un faisceau dans la direction de réception, des échantil- lons de l'enveloppe complexe en bande de base de chaque élément de l'aérien sont multipliés par des pondérations complexes spécifiques aux éléments et les produits sont ajoutés, échantillon par échantillon, pour la création du signal de faisceau voulu Avec un tel aérien de formation d'un faisceau numérique agile à N éléments, il faut donc N multiplications complexe-complexe par échantillon du faisceau. Dans une variante connue d'une telle architecture classique, l'ensemble des faisceaux orthogonaux donnés par la configuration géométrique de l'aérien est créé simulta- nément par transformation discrète de Fourier parmi les échantillons des éléments de l'aérien Cette transformation discrète de Fourier est réalisée par utilisation d'une transformation rapide de Fourier convenable Ceci réduit le nombre de multiplications par échantillon du faisceau de l'ordre de log 2 N. De telles techniques classiques destinées à la formation d'un faisceau numérique dans un domaine de fréquences sont décrites dans l'ouvrage "Multi Dimensional Digital Signal Processing" de Dan E Dudgeon et Russel M. Mersereau, publié par Prentice-Hall, 1984. Dans les applications dans lesquelles les faisceaux orthogonaux créés par la formation de faisceaux par trans- formation rapide de Fourier sont trop écartés pour donner la densité voulue de faisceaux dans la zone de couverture, des faisceaux supplémentaires non orthogonaux peuvent être interpolés entre les faisceaux orthogonaux par augmentation de la dimension de transformation au-delà de celle qui est donnée par les éléments physiques de l'aérien Cela donne des racines dans l'aérien dans la direction de réception et délimite le signal de sortie de transformation étendu dans une fenêtre dans la direction d'émission Cependant, l'augmentation de dimension de transformation, alliée au fait que seul un sous-ensemble des faisceaux ainsi créés se trouve dans la zone de couverture, compromet sévèrement le rendement de calcul lors de la création des faisceaux de cette manière, au point que l'avantage de calcul donné par l'utilisation de la transformation rapide de Fourier pour la création des faisceaux agiles de cette manière devient faible ou nul. Il est aussi nécessaire de disposer d'un procédé et d'un appareil perfectionnés de façon générale pour le traitement des signaux numériques au cours de la formation des faisceaux à l'aide d'un aérien en phase à N éléments qui conserve pratiquement le rendement de calcul de la formation des faisceaux par transformation rapide de Fourier pour la création des N faisceaux orthogonaux et qui donne simultanément une possibilité de création de faisceaux supplémentaires qui peuvent être entièrement dirigés, avec un coût de calcul nettement inférieur à celui qui est nécessaire avec l'une quelconque des deux tech- niques classiques précitées. Dans un premier aspect, l'invention concerne un procédé de traitement de signaux numériques destiné à former des faisceaux à l'aide d'une antenne d' aérien en phase à N éléments, qui comprend, pour la formation d'un faisceau agile du côté d'émission qui doit être dirigé dans une direction comprise entre au moins trois faisceau orthogonaux adjacents, la création de trois copies d'échan- tillons d'enveloppe complexe du signal du faisceau néces- saire, leur pondération séparée en amplitude et en phase, leur transmission à un processeur par transformation discrète de Fourier à N points, par l'intermédiaire de voies d'entrée de celui-ci qui correspondent aux trois faisceaux orthogonaux adjacents, et leur transformation rapide inverse de Fourier dans le processeur sous forme du faisceau nécessaire qui est une combinaison pondérée des trois faisceaux orthogonaux adjacents destinés à être transmis aux éléments de l'aérien en phase, et il comprend, pour la formation d'un faisceau agile du côté de réception, provenant d'une direction comprise entre au moins trois faisceaux orthogonaux adjacents, la transmission d'échan- tillons d'enveloppe complexe en bande de base de chacun des N éléments de l'aérien en phase, au processeur de transfor- mation discrète de Fourier à N points et leur transforma- tion discrète en N signaux de faisceaux orthogonaux, la pondération séparée en amplitude et en phase des trois signaux de faisceaux orthogonaux transmis par le processeur de transformation discrète de Fourier qui correspondent aux trois faisceaux orthogonaux, et leur combinaison en un signal de sortie qui est l'enveloppe complexe en bande de base du signaux du faisceau nécessaire. Ce procédé réduit la fréquence de traitement dans une architecture à circuit intégré spécifique à l'applica- tion (ASIC) utilisant le procédé de traitement de signaux numériques selon l'invention et qui peut être transformé directement en économie sur la masse et la consommation d'énergie d'un processeur embarqué, lorsque l 'architecture ASIC est utilisée dans un vaisseau spatial Les faisceaux agiles sont formés par des combinaisons convenablement pondérées d'un sous-ensemble de faisceaux orthogonaux naturels de l'aérien Bien que tous les faisceaux orthogo- naux puissent être utilisés, ceci réduit les économies et, dans le cas d'une géométrie bidimensionnelle d'aérien hexagonal, les trois faisceaux adjacents aux faisceaux agiles sont utilisés. De préférence, le processeur assurant la transforma- tion discrète de Fourier à N points qui est utilisée est un processeur numérique ou un processeur analogique. Il est avantageux, pour la formation du faisceau du côté d'émission de l'un ou de plusieurs faisceaux agiles supplémentaires, que trois copies d'échantillons d'enve- loppe complexe de chaque signal de faisceau supplémentaire nécessaire soient créées, pondérées séparément en amplitude et en phase, et multiplexées aux trois voies d'entrée du processeur de transformation discrète de Fourier à N points. De façon avantageuse, les échantillons d'enveloppe complexe des trois faisceaux orthogonaux adjacents sont directement multiplexés sur des voies convenables d'entrée du processeur de transformation discrète de Fourier à N points. De préférence, pour la formation d'un ou plusieurs faisceaux agiles supplémentaires du côté de réception, une copie de chacun des signaux de chacun de trois faisceaux orthogonaux convenables transmis par le processeur de transformation discrète de Fourier à N points est prélevée, pondérée séparément en amplitude et en phase et combinée en un signal de sortie qui est l'enveloppe complexe en bande de base du faisceau agile supplémentaire nécessaire. Dans un autre aspect, l'invention concerne un appareil de traitement de signaux numériques destiné à la formation de faisceaux à l'aide d'une antenne à aérien à phase à N éléments, qui comprend un processeur de transfor- mation discrète de Fourier ayant plusieurs premières voies d'un premier côté, les voies étant destinées à être connec- tées à des éléments individuels de l'antenne, le processeur fonctionnant comme processeur de transformation rapide inverse de Fourier pour la formation d'un faisceau du côté d'émission et comme processeur de transformation rapide discrète de Fourier pour la formation d'un faisceau du côté de réception, un dispositif connecté à plusieurs secondes voies de l'autre côté du processeur et destiné à assurer la pondération séparée, en amplitude et en phase, de trois copies des échantillons d'enveloppe complexe pour le signal de faisceau d'émission nécessaire lors de la formation d'une faisceau du côté d'émission, et leur transmission à au moins trois secondes voies du processeur correspondant à au moins trois faisceaux orthogonaux adjacents entre lesquels le faisceau d'émission doit être dirigé, ou trois signaux de faisceaux orthogonaux reçus du processeur dans le cas de la formation d'un faisceau du côté de réception, et un dispositif destiné à créer, pour la formation d'un faisceau du côté d'émission, trois copies d'échantillons d'enveloppe complexe pour le signal du faisceau nécessaire et leur transmission au dispositif de pondération, ou destiné à recevoir, lors de la formation d'un faisceau du côté de réception, les trois signaux pondérés de faisceaux orthogonaux provenant du dispositif de pondération et à les combiner en un signal de sortie qui est l'enveloppe com- plexe en bande de base du signal du faisceau nécessaire. De préférence, le processeur de transformation discrète de Fourier à N points est un processeur numérique ou un processeur analogique. L'appareil comprend avantageusement un dispositif destiné à créer trois copies d'échantillons d'enveloppe complexe d'un ou plusieurs signaux de faisceaux supplémen- taires, à pondérer en amplitude et en phase les trois copies de chacun des signaux des faisceaux supplémentaires et à multiplexer les trois copies pondérées dans les secondes voies du processeur pour la formation du faisceau du côté d'émission pour un ou plusieurs faisceaux. supplémentaires. L'appareil comprend avantageusement un dispositif de multiplexage des échantillons d'enveloppe complexe pour trois faisceaux orthogonaux adjacents directement sur les secondes voies du processeur. De préférence, l'appareil comporte un dispositif destiné à créer une copie de chacun des trois signaux de faisceaux orthogonaux transmis par les secondes voies du processeur, à-pondérer séparément en amplitude et en phase les copies et à les combiner en un signal de sortie qui est l'enveloppe complexe en bande de base d'un faisceau agile supplémentaire du côté de réception. D'autres caractéristiques et avantages de l'inven- tion apparaîtront mieux à la lecture d'exemples de réalisa- tion de l'invention, faite en référence aux dessins annexés sur lesquels: la figure 1 est un schéma d'un appareil de traite- ment de signaux numériques dans un premier mode de réalisa- tion de l'invention, destiné à former un faisceau en direction d'émission; et la figure 2 est un schéma analogue à la figure 1 d'un appareil de traitement de signaux numériques selon l'invention destiné à la formation d'un faisceau du côté d'émission. Un procédé de traitement de signaux numériques destiné à la formation d'un faisceau selon la présente invention met en oeuvre une antenne 1 d'aérien en phase à N éléments qui peut être de type direct ou de type utili- sant une image Dans les exemples représentés sur les figures 1 et 2, on suppose que la configuration géométrique de l'aérien 1 est bidimensionnelle et comporte des éléments 2 disposés suivant un réseau hexagonal L'appareil selon l'invention comprend un processeur 3 à transformation discrète de Fourier et un dispositif de pondération de signaux portant la référence générale 4 Ce processeur 3 peut être un processeur numérique comme représenté sur les figures 1 et 2 ou un processeur analogique, avec formation d'un appareil hybride Comme indiqué précédemment, la figure 1 représente l'architecture de traitement de signaux numériques pour la formation du faisceau du côté d'émission et la figure 2 représente l'architecture'pour la formation du faisceau du côté de réception. La figure 1 représente l'architecture permettant la création du iième faisceau agile qui doit être formé à partir d'une combinaison pondérée d'au moins trois faisceaux orthogonaux adjacents 5 a, 5 b et 5 c Des échantil- ions 6 d'enveloppe complexe destinés au signal nécessaire pour le faisceau agile sont transmis à un premier étage de l'appareil qui est spécifique au-faisceau et qui comprend le dispositif 4 de pondération de signaux qui comporte un dispositif générateur de trois copies ( 6 a, 6 b et 6 c) du signal échantillon 6 qui les transmet à un dispositif 4 de pondération de signaux dans lequel chaque signal de copie 6 a, 6 b, 6 c est pondéré séparément à la fois en amplitude et en phase par des poids Wij, j étant égal à 1, 2 ou 3 Les échantillons pondérés 6 a, 6 b et 6 c sont transmis à trois voies d'entrée 7 a, 7 b et 7 c de plusieurs premières voies du processeur 3, ces voies 7 a, 7 b et 7 c correspondant aux trois faisceaux orthogonaux adjacents. Le processeur 3 agit comme processeur de transforma- tion rapide inverse de Fourier dans la direction d'émission et crée le faisceau voulu sous forme d'une combinaison pondérée des trois faisceaux orthogonaux les plus proches qui sont transmis aux éléments 2 de l'aérien 1. Un ou plusieurs faisceaux agiles supplémentaires peuvent être créés de manière analogue par création de trois copies d'échantillons d'enveloppe complexe de chaque signal nécessaire de faisceau supplémentaire, avec pondéra- tion séparée en amplitude et en phase et multiplexage des signaux de sortie de tous les faisceaux agiles dans les voies d'entrée 7 a, 7 b et 7 c en 8 a, 8 b et 8 c Les échantil- lons d'enveloppe complexe des trois faisceaux orthogonaux adjacents sont directement multiplexés aux voies conve- nables d'entrée 7 a, 7 d et 7 f du processeur 3 en dérivation par rapport au dispositif 4 de formation de faisceau du premier étage. Grâce à l'utilisation du procédé et de l'appareil selon l'invention, le traitement du faisceau agile est donc constitué de trois multiplications complexe-complexe seulement, c'est-à-dire avec une réduction considérable du nombre de -multiplications nécessaires par échantillon de faisceau par rapport aux techniques classiques de formation de faisceaux numériques Grâce à l'utilisation de trois multiplications seulement, une partie seulement de la capacité du processeur 3 est nécessaire et le coût de traitement est encore réduit car le processeur 3 peut être partagé par tous les faisceaux. Les faisceaux agiles créés selon l'invention ne sont pas des répliques exactes des faisceaux orthogonaux et en particulier ils présentent une directivité réduite de crête Cependant, dans la plupart des applications du procédé de traitement de signaux numériques de la présente invention, cette perte de directivité est grandement compensée par les économies de masse et d'énergie du processeur embarqué si bien que le procédé et l'appareil selon l'invention sont particulièrement utiles dans les applications aux vaisseaux spatiaux Bien qu'il soit possible de former les faisceaux agiles afin qu'ils consti- tuent des répliques exactes des faisceaux orthogonaux par combinaison de façon convenable des N faisceaux orthogo- naux, ceci nécessiterait N faisceaux de multiplication en plus de l'utilisation du processeur partage 3 et ne présen- teraient pas d'avantages par rapport aux architectures classiques de formation de faisceaux. La transformation rapide de Fourier peut éventuelle- ment subir une extension de racine pour la création de faisceaux interpolés qui peuvent être incorporés à la somme de pondération de faisceau pour augmenter la qualité du faisceau agile résultant. La figure 2 des dessins annexés représente un appareil selon l'invention destiné à la formation de faisceaux dans la direction de réception Lors de la formation d'un faisceau agile en direction de réception, provenant d'une direction comprise entre au moins trois faisceaux orthogonaux adjacents, c'est-à-dire pour le iième faisceau agile, des échantillons d'enveloppe complexe en bande de base des signaux reçus par chacun des N éléments 2 de l'aérien en phase 1 sont transmis au processeur 3 de transformation discrète de Fourier à N points et transfor- més séparément dans celui-ci en N signaux de faisceaux orthogonaux Les signaux des trois faisceaux orthogonaux a, 5 b et 5 c transmis par le processeur de transformation rapide de Fourier, correspondant aux trois faisceaux orthogonaux, sont pondérés séparément en amplitude et en phase dans le dispositif 4 de pondération de signaux d'une10 manière analogue à l'exemple de la figure 1, par utilisa- tion de poids W ij, j étant égal à 1, 2 ou 3 Les signaux 9 a, 9 b et 9 c, pondérés en amplitude et en phase, sont combinés dans un signal de sortie 10 qui est l'enveloppe complexe en bande de base du signal du faisceau nécessaire. Lors de la formation du faisceau du côté de récep- tion pour un ou plusieurs faisceaux agiles supplémentaires, une copie de chacun des signaux 5 a, 5 b et 5 c des trois faisceaux orthogonaux est réalisée en lia, llb et 11 c, pondérée séparément en amplitude et en phase, et combinée en un signal de sortie qui est une enveloppe complexe en bande de base du faisceau agile supplémentaire nécessaire. Comme dans la technique précitée de formation de faisceaux du côté d'émission selon l'invention, les faisceaux dirigés créés par formation de faisceaux du côté de réception selon l'invention ne sont pas des copies exactes des faisceaux orthogonaux Des faisceaux consti- tuant des répliques exactes pourraient être créés par combinaison convenable des N faisceaux orthogonaux, mais ceci ne donnerait aucune économie de temps de traitement et de prix par rapport aux techniques classiques. REVENDICAT IONS 1 Procédé de traitement de signaux numériques destiné à former des faisceaux à l'aide d'une antenne ( 1) d'aérien en phase à N éléments, caractérisé en ce que, pour la formation d'un faisceau agile du côté d'émission qui doit être dirigé dans une direction comprise entre au moins trois faisceau orthogonaux adjacents, il comprend la création de trois copies ( 6 a, 6 b, 6 c) d'échantillons d'enveloppe complexe du signal du faisceau nécessaire, leur pondération séparée en amplitude et en phase, leur trans- mission à un processeur ( 3) par transformation discrète de Fourier à N points, par l'intermédiaire de voies d'entrée de celui-ci qui correspondent aux trois faisceaux orthogo- naux adjacents, et leur transformation rapide inverse de Fourier dans le processeur ( 3) sous forme du faisceau nécessaire qui est une combinaison pondérée des trois faisceaux orthogonaux adjacents destinés à être transmis aux éléments de l'aérien en phase, et il comprend, pour la formation d'un faisceau agile du côté de réception, prove- nant d'une direction comprise entre au moins trois faisceaux orthogonaux adjacents, la transmission d'échan- tillons d'enveloppe complexe en bande de base de chacun des N éléments de l'aérien en phase, au processeur ( 3) de transformation discrète de Fourier à N points et leur transformation discrète en N signaux de faisceaux orthogo- naux, la pondération séparée en amplitude et en phase des trois signaux de faisceaux orthogonaux transmis par le processeur ( 3) de transformation discrète de Fourier qui correspondent aux trois faisceaux orthogonaux, et leur combinaison en un signal de sortie qui est l'enveloppe complexe en bande de base du signaux du faisceau nécessaire. 2 Procédé selon la revendication 1, dans lequel le processeur ( 3) de transformation discrète de Fourier à N points qui est utilisé est un processeur numérique ou analogique. il 3 Procédé selon la revendication 1 ou 2, dans lequel, pour la formation d'un ou plusieurs faisceaux agiles supplémentaires du côté de transmission, le procédé comprend la création de trois copies d'échantillons d'enve- loppe complexe de chaque signal de faisceau supplémentaire nécessaire, sa pondération séparée en amplitude et en phase, et son multiplexage sur les trois voies d'entrée du processeur ( 3) de transformation discrète de Fourier à N points. 4 Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que des échantillons d'enveloppe complexe des trois faisceaux orthogonaux adjacents sont multiplexés directement sur des voies convenables d'entrée du processeur ( 3) de transformation discrète de Fourier à N points. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que, lors de la formation d'un ou plusieurs faisceaux agiles supplémentaires du côté de réception, il comprend le prélèvement d'une copie de chacun des trois signaux de faisceaux orthogonaux convenables provenant du processeur ( 3) de transformation discrète de Fourier à N points, leur pondération séparée en amplitude et en phase et leur combinaison en un signal de sortie qui est l'enveloppe complexe en bande de base du faisceau agile supplémentaire nécessaire. 6 Appareil de traitement de signaux numériques destiné à la formation de faisceaux à l'aide d'une antenne ( 1) à aérien à phase à N éléments, l'appareil étant carac- térisé en ce qu'il comprend un processeur ( 3) de transfor- mation discrète de Fourier ayant plusieurs premières voies d'un premier côté, les voies étant destinées à être connec- tées à des éléments individuels de l'antenne, le processeur ( 3) fonctionnant comme processeur de transformation rapide inverse de Fourier pour la formation d'un faisceau du côté d'émission et comme processeur de transformation rapide discrète de Fourier pour la formation d'un faisceau du côté de réception, un dispositif ( 4) connecté à plusieurs secondes voies de l'autre côté du processeur ( 3) et destiné à assurer la pondération séparée, en amplitude et en phase, de trois copies ( 6 a, 6 b, 6 c) des échantillons d'enveloppe complexe pour le signal de faisceau d'émission nécessaire lors de la formation d'une faisceau du côté d'émission, et leur transmission à au moins trois secondes voies du processeur ( 3) correspondant à au moins trois faisceaux orthogonaux adjacents entre lesquels le faisceau d'émission doit être dirigé, ou trois signaux de faisceaux orthogonaux reçus du processeur dans le cas de la formation d'un faisceau du côté de réception, et un dispositif destiné à créer, pour la formation d'un faisceau du côté d'émission, trois copies d'échantillons d'enveloppe complexe pour le signal du faisceau nécessaire et leur transmission au dispositif de pondération, ou destiné à recevoir, lors de la formation d'un faisceau du côté de réception, les trois signaux pondérés de faisceaux orthogonaux provenant du dispositif de pondération et à les combiner en un signal de sortie qui est l'enveloppe complexe en bande de base du signal du faisceau nécessaire. 7 Appareil selon la revendication 6, caractérisé en ce que le processeur ( 3) de transformation discrète de Fourier à N points est un processeur numérique ou analogique. 8 Appareil selon l'une des revendications 6 et 7, caractérisé en ce qu'il comporte un dispositif ( 4) destiné à créer trois copies ( 6 a, 6 b, 6 c) d'échantillons d'enve- loppe complexe d'un ou plusieurs signaux de faisceaux supplémentaires, à pondérer en amplitude et en phase les trois copies de chaque signal de faisceau supplémentaire, et à multiplexer les trois copies pondérées aux trois secondes voies du processeur ( 3) pour la formation d'un faisceau du côté d'émission d'un ou plusieurs faisceaux supplémentaires. 9 Appareil selon l'une quelconque des revendica- tions 6 à 8, caractérisé en ce qu'il comprend un dispositif de multiplexage des échantillons d'enveloppe complexe pour trois faisceaux orthogonaux adjacents directement aux secondes voies convenables du processeur ( 3). Appareil selon l'une quelconque des revendica- tions 6 à 9, caractérisé en ce qu'il comprend un dispositif ( 4) destiné à créer une copie de chacun des trois signaux de faisceaux orthogonaux provenant des secondes voies du processeur ( 3), à pondérer séparément en amplitude et en phase les copies et à les combiner en un signal de sortie qui est l'enveloppe complexe en bande de base d'un faisceau agile supplémentaire du côté de réception.