Brevet FR2690794A1 — publié le 19931105

i Procédé et dispositif de modulation en amplitude d'un signal La présente invention concerne un procédé et un dispositif de modulation en amplitude d'un signal Elle s'applique notam- ment aux émetteurs de puissance dits à "état solide" du domaine des fréquences radio et réalisés à base de transistors de puis- sance à effet de champs ou de type MOSFET selon la terminologie anglosaxonne. Avec l'avènement des transistors de puissance, faciles à commander et à faible temps de commutation donc capables de fonctionner à des fréquences de quelques centaines de kilohertz à un mégahertz ou plus, les émetteurs à tube électronique, coû- teux, encombrants, nécessitant des alimentations très haute tension et de maintenance difficile tendent à être remplacés par des émetteurs dont les étages amplificateurs utilisent ces types de transistors Ces émetteurs sont en général composés de modu- les ou amplificateurs élémentaires de puissance, assemblés en parallèle ou en série de façon à émettre la puissance requise. L'architecture usuelle de ces modules est de type pont en H encore appelé "pont complet" Il existe actuellement plusieurs solutions de modulation en amplitude du signal de sortie de ces émetteurs L'une est décrite par la demande de brevet N O 2 567 338 et intitulée "Amplificateur à étages d'amplification commutables en fonction de l'amplitude du signal à amplifier" déposée en France au nom de de la Demanderesse. Cette solution est relativement simple à mettre en oeuvre et ne demande pas de gestion particulière du fonctionnement des modules élémentaires Néanmoins elle nécessite beaucoup de selfs inductances et de condensateurs dimensionnés pour des circuits et tensions importants, ainsi que des transformateurs avec de nombreux secondaires, c'est donc une solution coûteuse, encom- brante et de médiocre rendement. Une autre solution comprenant une gestion numérique des modules permet une amélioration du rendement mais au prix d'une grande complexité de gestion des modules Dans ce cas, la constitution de l'enveloppe de l'onde émise s'effectue par super- position du signal fourni par chacun des modules de puissance alimentés sous une même tension E et dont le fonctionnement est commandé par la partie numérique Cependant pour affiner l'enve- loppe du signal à émettre, il est nécessaire d'utiliser des modules de puissance supplémentaires alimentés sous tension E/2, E/4 E/2 P Cela constitue un inconvénient majeur puisque tous les modules élémentaires ne sont plus identiques et sup- prime ainsi l'interchangeabilité totale de ces modules Cela ne permet pas non plus un mode de fonctionnement en puissance dégradée ou diminuée, puisque la mise hors circuit d'au moins un module, suite à une avarie quelconque, entraîne des distor- sions de l'onde émise contrairement à une solution composée de modules interchangeables dont l'arrêt de l'un ou l'autre n'en- traîne qu'une diminution de puissance émise, or, bien souvent dans certains cas de figures, un tel mode de fonctionnement peut rester satisfaisant pour l'utilisation. Par ailleurs cette solution exige beaucoup de sources de tensions différentes et les commutations continuelles des modu- les engendrent des signaux parasites perturbants Il est à noter de plus que l'absence d'interchangeabilité totale des modules entraîne une difficulté et un coût supplémentaires de maintenance et de mise au point. Le but de l'invention est de pallier les inconvénients précités. A cet effet, l'invention a pour objet un procédé de modula- tion en amplitude d'un signal par un signal de modulation carac- térisé en ce qu'il consiste à décomposer le signal à moduler suivant un premier et un deuxième signal de même amplitude et de phases opposées, à moduler en phase le premier et deuxième signal par le signal de modulation et à additionner le premier et le deuxième signal modulés en phases pour obtenir un signal résultant modulé en amplitude. L'invention a également pour objet un dispositif pour la mise en oeuvre du procédé précité. L'invention a pour principaux avantages qu'elle permet une grande souplesse du contrôle de la puissance de sortie, une meilleure précision de l'amplitude du signal de sortie en fonc- tion du signal de modulation à l'entrée de l'émetteur, et un très bon rendement global Elle permet par ailleurs une mainte- nance aisée et un mode de fonctionnement en puissance dégradée. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à l'aide de la description qui suit faite en regard des dessins annexés qui représentent: La figure 1, un diagramme vectoriel pour illustrer le procédé de modulation mis en oeuvre par l'invention. La figure 2, un mode de réalisation d'un dispositif pour la mise en oeuvre du procédé de modulation selon l'invention. La figure 3, un mode de réalisation d'un circuit addi- tionneur pour la mise en oeuvre du dispositif de la figure 2. La figure 4, un mode de réalisation d'un dispositif de commande du mode de réalisation de la figure 2. La figure 1 illustre le principe de base de l'invention. Sur cette figure les vecteurs V 1 et V 2 constituent la représentation vectorielle suivant la méthode de Fresnel de deux signaux sinusoïdaux de fréquences constantes et déphasés respectivement, par rapport à un signal de référence VREF de même fréquence, d'un angle %D et d'un angle -W En considérant le cas o ces deux signaux ont même amplitude E et que leur fréquence est égale à f, la fonction du temps du signal associé au vecteur V 1 peut être notée Vl(t) = E cos(l 21 Âflt +y) ( 1) et la fonction du temps du signal associé au vecteur V 2 peut être notée V 2 (t) = E cos(l 21 Âflt) ( 2) o t représente le temps ç l'angle de déphasage précité et E l'amplitude des vecteurs V 1 et V 2 Le signal somme de ces deux signaux V 1 (t) +V 2 (t) est associé au vecteur Vs de la figure 1, somme vectorielle de V 1 et V 2 et a pour amplitude maximum 2 E cos 9) Il conserve la même fréquence f. A partir de ce résultat, le procédé selon l'invention consiste à utiliser des modules élémentaires de puissance compo- sés chacun de deux amplificateurs délivrant des signaux de sor- tie de même fréquence, égale à la fréquence d'émission, et de même amplitude prédéfinie mais déphasées, l'un d'un angle y, 'autre d'un angle T par rapport à un signal de référence, puis de sommer ces deux signaux D'après le résultat précité, il en résulte un signal de fréquence égale à la fréquence d'émission et d'amplitude fonction sinusoïdale de l'angle de déphasage ô' précité La modulation en amplitude du signal de sortie du module élémentaire est donc réalisable en agissant sur l'angle de déphasage T. Un dispositif pour la mise en oeuvre de ce procédé est représenté à la figure 2 Ce dispositif comporte une première et une deuxième voie d'amplification composées respectivement d'un premier préamplificateur 1 couplé à un premier amplificateur de puissance 3 et d'un deuxième préamplificateur 2 couplé à un deuxième amplificateur de puissance 4 Les sorties respectives des amplificateurs de puissance 3 et 4 sont couplées respective- ment à une première et une deuxième entrée d'un circuit addition- neur de tension 5 La sortie du circuit additionneur 5 est cou- plée à l'entrée d'un filtre 6. Dans cette description les signaux V 1 (t) et V 2 (t) décrits précédemment par les relations ( 1) et ( 2) sont additionnés par le circuit additionneur 5 pour donner le signal V s(t) résultant associé au vecteur Vs de la figure 1 Un mode de réalisation d'un circuit additionneur correspondant est montré à la figure 3 Ce circuit comporte deux transformateurs de rapport de transformation égal à 1 par exemple et dont les primaires sont reliés respectivement aux sorties des amplificateurs 3 et 4 donc ont les signaux V 1 (t) et V 2 (t) à leurs bornes, leurs secondaires sont câblés en série, ce qui permet d'obtenir aux bornes de cet assemblage série la somme V 1 (t)+V 2 (t) = Vs(t). A ce niveau de la description il importe de mentionner la remarque suivante: la sommation vectorielle réalisée suivant le principe de la figure 1 ne s'applique qu'à des signaux sinusoï- daux de même fréquence alors que dans l'invention, la somme effectuée par l'additionneur 5 peut par exemple s'appliquer à des signaux de même fréquence mais carrés Néanmoins, le résul- tat reste valable pour la tension de sortie V *(t) du filtre 6, grâce au principe de superposition En effet les signaux carrés précités sont la somme d'une infinité de signaux sinusoidaux ou harmoniques dont on peut additionner les harmoniques de même fréquence Pour chacune de ces sommes, l'amplitude du signal résultant est bien fonction sinusoïdale de l'angle de déphasage TF précité, donc en particulier cela est vérifié pour l'harmonique principale ou fondamentale restante en sortie du filtre 6 Ainsi si E est l'amplitude définie des signaux de sortie V 1 (t) et V 2 (t) des amplificateurs de puissance 3 et 4 et Vs(t) le signal de sortie du module élémentaire, alors Vs = 2 E cos Y, ce qui est le but recherché. Les signaux V 1 (t) et V 2 (t) en sortie des amplificateurs 3 et 4 sont synchrones des signaux de commande S 1 (t) et S 2 (t) à l'entrée des préamplificateurs 1 et 2 Ces deux signaux sont modulés en phase et leur élaboration peut être obtenue de la façon représentée à la figure 4 Le but de ce dispositif de commande est de fournir un angle de déphasage té tel qu'il a été décrit précédemment, fonction d'une consigne ou d'un signal de modulation appliquée à son entrée Ce signal de modulation est converti numériquement par le convertisseur analogique numérique 7 La fréquence de conversion est égale à la fréquence d'émission par exemple ou à une de ses fréquences multiples Le circuit de traitement numérique 8 reçoit la donnée issue du convertisseur analogique-numérique et réalise une opéra- tion dont le résultat correspond à la valeur du déphasage à produire sur les signaux de commande des interrupteurs ou transistors des amplificateurs de puissance 3 et 4 C'est-à-dire en fait, si Am correspond à l'amplitude maximale du signal modulant et B l'amplitude du signal modulant à l'instant de conversion analogique-numérique, le déphasage correspondant est donné par l'équation = arc cos B/AM Ayant mémorisé l'angle de déphasage précédent, le circuit de traitement numérique 8 calcule la variation du déphasage à appliquer au signal de commande A cette fin le circuit de traitement numérique 8 peut être par exemple réalisé au moyen de mémoires comportant des tables et de circuits logiques pro- grammables. L'inverseur 9 change le signe de la variation de déphasage numérisée issue du circuit de traitement numérique 8 afin d'obtenir une variation de phase symétrique AS Les deux données L\ et &{ sont présentées à l'entrée d'un circuit tampon 10 pour être synchronisées avant d'être multiplexées par un multiplexeur 11 Les données léq et - V toujours présentes en sortie du multiplexeur 11 sont prises en compte par des oscil- lateurs numériques 12 et 13 connus sous l'abréviation NCO de l'appellation anglo-saxonne "Numerically Controlled Oscillator". Les circuits utilisés peuvent être par exemple les circuits de référence STEL-1175 commercialisés par la société STANFORD de droit des Etats Unis d'Amérique Ces circuits NCO génèrent chacun un signal numérique périodique variant sinusoïdalement à la fréquence d'émission du signal à moduler dont la phase varie suivant la donnée de phase présente à leurs entrées donc sui- vant la variation de phase t 4 ou calculée par le circuit de traitement numérique Le signal de sortie de chaque NCO 12 et 13 est converti analogiquement par un convertisseur numéri- que-analogique 14 et 15 Les signaux en sortie des convertis- seurs 14 et 15 sont filtrés au travers des filtres 16 et 17 il en résulte deux signaux sinusoïdaux à la fréquence d'émission s (t) et S 2 (t), l'un déphasé d'un angle If, l'autre déphasé d'un angle 9 par rapport à un signal de référence, modulation (Agi, àS) soit la donnée de fréquence, cette der- nière non représentée sur le synoptique de la figure 4 sert à l'initialisation de la fréquence de démarrage. D'après la description d'un module élémentaire et la des- cription d'un dispositif de commande, il apparaît que les déphasages symétriques produits sur les signaux de sortie des amplificateurs de puissance 3 et 4 correspondent aux déphasages réalisés au niveau des signaux S 1 (t) et S 2 (t) issus de la commande, ces déphasages étant eux même fonction du signal de modulation à l'entrée du dispositif de commande L'amplitude du signal de sortie d'un module étant fonction de ces déphasages sera donc fonction de ce signal de modulation, ce qui était bien le but recherché Le type de signal modulant, peut correspondre à toutes grandeurs dès lors qu'elle peut être convertie en un angle de déphasage Par ailleurs comme tous les modules élémen- taires de l'émetteur sont identiques, ceux-ci peuvent être com- mandés par le même dispositif de commande En pratique, pour des raisons de commodité et de mise au point, plusieurs cartes de commandes réparties par groupes de modules élémentaires pourront être définies. La puissance requise en sortie de l'émetteur imposera le nombre de modules élémentaires Ceux-ci pourront être par exem- ple assemblés en parallèle ou en série Des circuits d'équili- brage des courants ou des tensions pourront par exemple être rajoutés ainsi que des protections contre les court-circuits. Une variante possible à la réalisation d'un module élémen- taire consiste à utiliser quatre amplificateurs de puissance au lieu de deux dont les signaux de sortie ont chacun respective- ment les déphasages t& 1 ' il 9 2 et Y 2 par rapport à un signal de référence, t 1 jouant le rôle de l'angle de déphasage ' décrit dans la présente invention, % 2 servant à diminuer toute distorsion éventuelle du signal de sortie Il est par ailleurs envisageable d'augmenter le nombre d'amplificateurs de puissance par module élémentaire, cela ne peut qu'améliorer la qualité du signal de sortie, néanmoins leur nombre peut être limité pour des raisons de faisabilité et de coût. REVENDICATIONS 1 Procédé de modulation en amplitude d'un signal par un signal de modulation caractérisé en ce qu'il consiste à décompo- ser le signal à moduler suivant un premier et un deuxième signal (V 1, V 2) de même amplitude et de phases opposées, à moduler en phase le premier et deuxième signal par le signal de modulation et à additionner le premier et le deuxième signal modulés en phase pour obtenir un signal résultant (V s) modulé en amplitude. 2 Dispositif pour la mise en oeuvre du procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce qu'il comprend un circuit additionneur ( 5) couplé à une première voie d'amplification ( 3) et à une deuxième voie d'amplification ( 4) pour additionner les signaux modulés en phase. 3 Dispositif selon la revendication 2 caractérisé en ce qu'il comporte un filtre ( 6) couplé à la sortie du circuit additionneur ( 5). 4 Dispositif selon l'une quelconque des revendications 2 et 3 caractérisé en ce qu'il comporte un circuit de commande comprenant deux oscillateurs numériques ( 12, 13) commandés en phase par le signal de modulation et en ce que les sorties des deux oscillateurs numériques ( 12, 13) sont couplés à deux en- trées respectives du circuit additionneur ( 5) par l'intermé- diaire de la première et de la deuxième voie d'amplification. Dispositif selon la revendication 4 caractérisé en ce qu'il comprend un circuit de traitement numérique ( 8) du signal de modulation pour commander la phase du signal numérique fourni par chaque oscillateur numérique ( 12, 13) en fonction de l'amplitude du signal de modulation. 6 Dispositif selon la revendication 5 caractérisé en ce que le circuit de traitement numérique ( 8) est couplé à chaque oscillateur numérique par l'intermédiaire d'un circuit multi- plexeur ( 11) des angles de commande du déphasage de chaque oscillateur numérique ( 12, 13) mémorisés en sortie du circuit de traitement numérique ( 8) par un circuit tampon de synchronisa- tion.