Brevet FR2695770A1 — publié le 19940318

PROCEDE ET DISPOSITIF DE DEMODULATION EN QUADRATURE La présente invention concerne les démodulateurs en quadrature, c'est-à-dire les dispositifs électroniques qui permettent de retrouver dans un signal temporel incident les composantes en phase et en quadrature d'un signal temporel ayant été translaté en fréquence à l'aide d'une porteuse. Les démodulateurs en quadrature ont de nombreuses applications en électronique. Ils servent notamment dans la technique des radars à récupérer en réception le signal vidéo correspondant aux échos retournés par les cibles en réponse à un signal d'interrogation modulant une porteuse à très haute fréquence. Les démodulateurs en quadrature de type connu comportent, de manière générale, deux multiplieurs disposés en parallèle, qui multiplient le signal temporel incident par deux signaux sinusoïdaux en quadrature à la fréquence de la porteuse et qui sont suivis de deux filtres passe-bas éliminant les battements indésirables au double de la fréquence de la porteuse et délivrant l'un la composante en phase et l'autre la composante en quadrature du signal démodulé. Lorsqu'il est réalisé en analogique, ce type de démodulateur présente les inconvénients de rendre difficile l'obtention d'une réelle quadrature entre les deux composantes du signal démodulé sur une large bande de fréquence et d'avoir des défauts de non linéarité. Lorsqu'il est réalisé en numérique, c'est-à-dire lorsqu'il opère sur un signal incident disponible sous forme d'une suite d'échantillons numérisés, il présente l'inconvénient de nécessiter un rythme de calcul très important, en limite des capacités de la technologie actuelle dès que la fréquence de la porteuse dépasse la dizaine de mégahertzs. La présente invention a pour but de lutter contre ces inconvénients ainsi que l'obtention d'une démodulation en quadrature simple à mettre en oeuvre. Elle a pour objet un procédé de démodulation en quadrature d'un signal temporel incident à l'aide d'une porteuse de fréquence pure consistant - à échantillonner le signal incident deux fois au cours de chaque période de la porteuse, en un premier et deuxième instants se succédant à un quart de période de la porteuse, les échantillons du signal incident pris périodiquement, à la cadence de la porteuse, au cours des premiers instants correspondant à un échantillonnage d'une composante en phase du signal démodulé tandis que les échantillons du signal incident pris périodiquement, à la cadence de la porteuse, au cours des deuxièmes instants correspondent à un échantillonnage d'une composante en quadrature du signal démodulé, les échantillonnages ainsi obtenus des composantes en phase et en quadrature du signal démodulé étant asynchrones, et - à soumettre les échantillons du signal incident pris au cours des premiers instants ou ceux pris au cours des deuxièmes instants à un filtrage d'interpolation rétablissant le synchronisme entre les échantillonnages ainsi obtenus des composantes en phase et en quadrature du signal démodulé. L'invention a également pour objet un dispositif pour la mise en oeuvre du procédé précité de démodulation en quadrature. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description d'un mode de réalisation donné à titre d'exemple. Cette description sera faite ci-après en regard du dessin dans lequel - une figure 1 représente un schéma de démodulateur en quadrature selon l'art antérieur ; et - une figure 2 représente un schéma de démodulateur en quadrature selon l'invention. Soit x(t) un signal temporel défini par une composante en phase r(t) et une composante en quadrature i(t). Il vient, dans la représentation sur le domaine complexe xc t) = rc t) + j is t) avec j2 = i Soit y(t) le signal temporel résultant de la modulation d'une porteuse de fréquence pure f0 par le signal x(t):: yc t, =Re{xct exp(j2itf0t)} ou yc t) = rc t) cos 2# fo t -ic t) sin 2# f0 t (1) La démodulation consiste à retrouver les composantes en phase r(t) et en quadrature i(t) du signal x(t) à partir de la connaissance du signal modulé y(t) et de la fréquence f0 de la porteuse de modulation. Le schéma classique d'un démodulateur en quadrature permettant d'effectuer cette opération est représenté à la figure 1. On y distingue deux multiplieurs 1, 2 disposés en parallèle suivis de deux filtres passe-bas 3, 4. Les deux multiplieurs reçoivent sur une entrée le signal modulé y(t) et sur une autre entrée une porteuse locale de fréquence pure fo qui est appliquée directement à l'un et par l'intermédiaire d'un déphaseur 5 de it/2 à l'autre. Le signal temporel a1 (t) disponible en sortie du multiplieur 1 qui reçoit sur ses entrées le signal modulé y(t) et la version retardée de #/2 de la porteuse locale à la fréquence fo a pour expression a1 (t) =yct) cos 2 #f0t ou, en tenant compte de la relation (1) a1ct > =rct > b sin2sfot.cos2sfot ce qui s'écrit a1 (t) [ 1+ cosys f0 t ] sinus t Le filtre passe-bas 3 qui reçoit le signal a1 (t) élimine de celui-ci les composantes à la fréquence double 2fo de la porteuse locale et délivre un signal 2 qui est proportionnel à la composante en phase r(t) du signal démodulé recherché. Le signal temporel ss1 (t) disponible en sortie du multiplieur 2 qui reçoit sur ses entrées le signal modulé y(t) et la version non retardée de la porteuse locale à la fréquence fo a pour expression pl (t) = yc t, six 2 f > t ou, en tenant compte de la relation (1): '3î (t) = r(t) sin2 # fot cos2 fo t -j t-i(t) sin2 2it f > t ce qui s'écrit: Le filtre passe-bas 4 qui reçoit le signal ss1 (t) élimine de celui-ci les composantes à la fréquence double 2fo de la porteuse locale et délivre un signal 1 ss'1(t)=-2i(t) qui est proportionnel à la composante en quadrature i(t) du signal démodulé recherché. Avec un tel démodulateur en quadrature, on parvient à ses fins puisque l'on retrouve sur ses sorties des signaux proportionnels aux composantes en phase et en quadrature du signal x(t) à l'origine du signal modulé y(t). Cependant, on se heurte à divers inconvénients qui sont, dans le cas d'une réalisation analogique, la difficulté d'assurer la quadrature entre les composantes du signal démodulé dans une large bande de fréquence en raison des imperfections des filtres passe-bas et une mauvaise linéarité due aux imperfections des multiplieurs, et dans le cas d'une réalisation numérique la très grande cadence de calculs nécessaire puisque le signal modulé y(t) doit être échantillonné à un rythme supérieur à deux fois la fréquence de la porteuse. En outre, une réalisation analogique des différentes fonctions de ce type de démodulateur en quadrature demande des réglages délicats qui dérivent en fonction des variations de température, d'alimentation... La figure 2 représente le schéma d'un démodulateur en quadrature selon l'invention. On y distingue : deux échantillonneursbloqueurs 10, 11 disposés en parallèle, qui reçoivent, sur leur entrée signal, le signal modulé y(t) et, sur leur entrée de commande d'échantillonnage, des signaux d'horloge H et Hd à la fréquence fo de la porteuse décalés entre eux d'un quart de période de la porteuse, un convertisseur analogique-numérique 12 connecté en entrée aux sorties des échantillonneurs-bloqueurs 10 et 11 par l'intermédiaire d'un multiplexeur 13, un démultiplexeur 14 disposé en sortie du convertisseur analogique-numérique 12 et séparant sur deux voies distinctes les échantillons numériques disponibles en sortie du convertisseur analogique-numérique 12 en fonction de leur échantillonneur-bloqueur il ou 12 d'origine, et un filtre interpolateur 15 intercalé en sortie du démultiplexeur 14 sur la voie suivie par les échantillons numériques ayant pour origine l'échantillonneur-bloqueur 10 cadencé par le signal d'horloge H en avance d'un quart de période de la porteuse par rapport à l'autre signal d'horloge Hd. L'échantillonneur-bloqueur 10 reçoit sur son entrée de commande d'échantillonnage un signal d'horloge H constitué d'une suite d'impulsions à la cadence de la porteuse apparaissant aux instants tk = k/fo k étant un indice entier variant de -oo à+ oo.Comme il reçoit sur son entrée signal, le signal modulé y(t), il délivre en sortie un signal qui a pour expression a2(tk) y(tk) =y(k I f > ) ou, en tenant compte de la relation (1 > : D'où: &alpha;2(tk)=r(k/fo) Ce signal correspond à un échantillonnage aux instants tk de la composante en phase du signal démodulé recherché x(t) sans qu'il soit besoin de procéder à quelconque filtrage. L'échantillonneur-bloqueur 11 reçoit sur son entrée de commande d'échantillonnage un signal d'horloge Hd constitué d'une suite d'impulsions à la cadence de la porteuse apparaissant un quart de période de la porteuse après celles de l'horloge H aux instants Comme il reçoit sur son entrée signal, le signal modulé y(t), il délivre en sortie un signal qui a pour expression ou, en tenant compte de la relation (1) D'où: Ce signal correspond à un échantillonnage aux instants t'k de la composante en quadrature du signal démodulé recherché sans qu'il soit besoin de procéder à un quelconque filtrage. Cependant, les échantillonnages des composantes en phase et en quadrature du signal démodulé obtenus en sortie des échantillonneurs-bloqueurs 10 et 11 ne sont pas directement exploitables pour obtenir les valeurs instantanées du module et de la phase du signal démodulé car ils ne sont pas synchrones. Pour surmonter cette difficulté, on rétablit le synchronisme grâce au filtre interpolateur (15) qui déduit de la suite des échantillons a2(tk) les valeurs de la suite des échantillons a2(t'k) directement comparables avec la suite des échantillons ss2(t'k). Pour ce faire, le filtre interpolateur 15 dont la réponse impulsionnelle est h(t) doit délivrer en réponse à un signal d'entrée u(t), un signal de sortie v(t) tel que * désignant l'opération de convolution, ce qui s'écrit en passant par les transformées de Fourrier Le filtre interpolateur a donc pour fonction de transfert C'est un filtre classique à réponse impulsionnelle finie, à coefficients réels, dont la fonction de transfert est à module constant unitaire et la phase à variation linéaire sur le domaine des fréquences -f0/2, +fi/2 L'exploitation des échantillonnages a2(t'k) et ss2(t'k) s'effectue ensuite de la manière habituelle avec un éventuel sous échantillonnage si la bande passante du signal démodulé le permet. Le filtre interpolateur peut également être disposé sur l'autre voie de sortie du démultiplexeur 14. Il permet alors de déduire de la suite des échantillons ss2(t'k) les valeurs de la suite des échantillons '32(tek) directement comparables avec la suite d'échantillons a2(tk). Il a alors pour fonction de transfert En outre, la voie sans interpolateur peut être pourvue d'un circuit à retard compensant le temps de réponse du filtre interpolateur. Le démodulateur en quadrature qui vient d'être décrit relativement à la figure 2 ne présente pas les défauts de quadrature du démodulateur en quadrature du type analogique classique car il est dépourvu des filtres passe-bas. En outre, sa linéarité est bien meilleure car le déphasage d'un quart de période de la porteuse entre les horloges des échantillonneurs-bloqueurs est facile à réaliser et aucun réglage n'est nécessaire. On remarque de plus que sa mise en oeuvre est plus simple et que le décalage temporel des échantillons en sortie des échantillonneursbloqueurs permet l'utilisation d'un seul codeur analogique-numérique grâce à un multiplexage. REVENDICATIONS 1. Procédé de démodulation en quadrature d'un signal incident (y(t)) à l'aide d'une porteuse de fréquence pure (fi), caractérisé en ce qu'il consiste - à échantillonner le signal incident deux fois au cours de chaque période de la porteuse, en un premier et un deuxième instants (tk et t'k) se succédant à un quart de période de la porteuse, les échantillons du signal incident (y(t)) pris périodiquement, à la cadence (fO) de la porteuse, au cours des premiers instants (tk) correspondant à un échantillonnage d'une composante en phase (r(t)) du signal démodulé (x(t)) tandis que les échantillons du signal incident (y(t)) pris périodiquement, à la cadence (fO) de la porteuse au cours des deuxièmes instants (t'k) correspondent à un échantillonnage d'une composante en quadrature (i(t)) du signal démodulé (x(t)) et - à soumettre les échantillons du signal incident (y(t)) pris au cours des premiers instants (tk) ou ceux pris au cours des deuxièmes instants (t'k) à un filtrage d'interpolation rétablissant le synchronisme entre les échantillonnages ainsi obtenus des composantes en phase (r(t)) et en quadrature (i(t)) du signal démodulé (x(t)). 2. Dispositif de mise en oeuvre du procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte - deux échantillonneurs-bloqueurs (10, 11) fonctionnant en parallèle sur le signal incident (y(t)) et rythmés par deux signaux d'horloge distincts à la fréquence (fO) de la porteuse décalés entre eux d'un quart de période de ladite porteuse, et - un filtre interpolateur (15) disposé à la suite de l'un des échantillonneurs-bloqueurs (10, 11) pour rétablir le synchronisme entre les échantillonnages. 3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il comporte en outre un convertisseur analogique-numérique (12) intercalé entre les échantillonneurs-bloqueurs (10, 11) et le filtre interpolateur (15) au moyen d'un multiplexeur (13) et d'un démultiplexeur (14).