Brevet FR2685990A1 — publié le 19930709

DETECTEUR DE VERROUILLAGE D'UNE BOUCLE A VERROUILLAGE DE PHASE La présente invention concerne les boucles à verrouil- lage de phase (PLL) et en particulier un détecteur de verrouil- lage permettant d'indiquer, dans un synthétiseur de fréquence à PLL, si une fréquence de sortie instantanée est voisine d'une fréquence de référence sur laquelle la fréquence de sortie doit être verrouillée. La figure 1 illustre schématiquement un synthétiseur de fréquence à PLL muni d'un détecteur de verrouillage De tels synthétiseurs de fréquence sont souvent utilisés dans des émet- teurs radio, comme, par exemple, les émetteurs d'un poste de téléphone sans fil (émetteur du poste vers le combiné et émet- teur du combiné vers le poste) Dans la suite de la description, on se basera sur cet exemple. Le synthétiseur de fréquence à PLL de la figure 1 comprend un comparateur de phase 10 recevant un signal rectangu- laire de fréquence Fref constante et un signal rectangulaire de fréquence F/N Ce comparateur 10 délivre un signal d'erreur de phase cp à un filtre passe-bas 11 La fréquence F/N provient de la division par N d'une fréquence F par un diviseur programmable 12 La fréquence F est fournie par un oscillateur commandé en tension (VCO) 13. Un additionneur 14 fournit au V Oe une tension de commande égale à la somme d' une tension V et de la tension Vo fournie par le filtre passebas 11 La tension V est une tension alternative modulante basse fréquence correspondant à un signal de parole La fréquence de coupure de la boucle est suffisamment basse (de l'ordre de 100 Hz) devant la fréquence du signal modu- lant V pour que la contre réaction apportée par le signal Vo ne puisse pas rattraper les variations de fréquence provoquées par le signal modulant V Ainsi, la fréquence de sortie instantanée F du VCO, lorsque la boucle est verrouillée, est modulée par la tension V autour d'lune fréquence de consigne Fo, ou porteuse, telle que Fc/N = Fref A tout moment, et en particulier lorsque la boucle est déverrouillée à la suite d'un changement de la fréquence de consigne Fc, la fréquence de sortie instantanée F du VCO vérifie la relation F = Fo + k(V + Vc), o Fo est la fréquence de repos fixe du VCO et k le gain du VCO Le signal de fréquence F, ou porteuse modulée, est émis par une antenne non représentée. Si un poste de téléphone ne disposait que d'une fré- quence porteuse Fc, ou canal, les récepteurs de ce poste, qui fonctionnent avec la même fréquence porteuse, pourraient être parasités par l'existence à proximité d'autres émetteurs de fréquence porteuse voisine Pour éviter ces parasites, les postes de téléphone sans fil actuels disposent généralement de plusieurs canaux commutables, soit manuellement par l'utilisa- teur, soit automatiquement avec recherche du canal le moins parasité Un changement de canal est opéré en reprogrammant le taux de division N du diviseur 12. Lorqu'on change de canal, la fréquence Fo de la por- teuse varie progressivement pour atteindre la nouvelle valeur. Lors de cette variation, il faut inhiber l'émission car elle entraînerait des parasites sur des récepteurs de fréquence porteuse comprise dans la plage de variation de la fréquence Fo Pour cela, on prévoit dans les émetteurs à PLL un détecteur de verrouillage qui inhibe l'émission tant que la fréquence por- teuse n'est pas suffisamment proche de la nouvelle valeur sélec- tionnée. Un détecteur classique comprend un comparateur 20 comparant la valeur absolue de l'erreur de phase y à une phase de référence 9 o et délivrant un signal de détection de verrouil- lage LD Ce signal LD est inactif tant que la valeur absolue de p est supérieure à (po, ce qui entraîne la coupure (par un inter- rupteur symbolique Kl) de l'émission de la fréquence F. La figure 2 illustre les allures en fonction du temps de l'erreur de phase 9 et de la variation de fréquence porteuse AF pour deux changements de canal différents Ci-après, on ne tiendra pas compte de la tension modulante V car elle n'influe pas sur la fréquence porteuse Fc On suppose donc que le VCO est seulement commandé par la tension de consigne Vc Les courbes sont représentées à la même échelle et sont établies à partir de l'exemple numérique suivant F O = 50 M Hz, 9 o = 1, 725 ps (on exprime ici l'erreur de phase en unités de temps car elle correspond à une avance ou à un retard), fréquence de coupure de la boucle 100 Hz gain du VCO: k = 1,79 M Hz/V; premier changement de canal: A Fcl = 360 k Hz, et deuxième changement de canal: a Fc 2 = 100 k Hz. Pour le changement de canal de A Fcl, 1 ' écart de fré- quence AF égal à O à un instant to, atteint et dépasse A Fci puis décroît et tend vers A Fcl L' erreur de phase y correspondante croît, atteint un maximum à l'instant o AF atteint pour la première fois A Fcj, puis décroît et tend vers 0. Le détecteur de verrouillage susmentionné inhibe l'émission pendant une durée TI correspondant à l'intervalle de temps o l'erreur de phase qu'une erreur de fréquence 8 F 1 subsiste entre AF et A Fcl L'er- reur b Fl vaut 11,5 kilohertz dans cet exemple. Pour le changement de canal de A Fc 2 = 100 k Hz, les allures de y et de AF ont la même forme que les allures sus- mentionnées mais sont à une échelle réduite De nouveau, l'émis- sion est inhibée pendant une durée T 2 correspondant à l'inter- valle de temps o l'erreur de phase p dépasse supérieure à 8 F 1 Cette erreur 8 F 2 vaut 30,7 k Hz dans cet exem- ple Or, cette erreur 8 F 2 est suffisamment grande pour créer des parasites sur plusieurs canaux voisins qui pourraient être uti- lisés par d'autres postes de téléphone (les canaux sont séparés de 12,5 k Hz en France et de 15 ou 20 k Hz aux Etats-Unis). Un objet de la présente invention est de réaliser un détecteur de verrouillage permettant de rétablir l'émission lorsque l'erreur de fréquence lors d'un changement de canal est inférieure à une valeur ne risquant pas de produire des para- sites sur des canaux voisins. Cet objet est atteint grâce à un détecteur de ver- rouillage d'une boucle à verrouillage de phase (PLL) dans laquelle est généré un signal d'erreur de phase représentatif de la différence de phase entre un signal de référence et un signal à verrouiller sur le signal de référence Le détecteur comprend des moyens permettant de fournir une valeur de sortie propor- tionnelle à la dérivée du signal d'erreur de phase et un compa- rateur activant un signal de détection de verrouillage lorsque l'amplitude de ladite valeur de sortie est inférieure à un seuil prédéterminé. Selon un mode de réalisation de la présente invention, la boucle à verrouillage de phase est utilisée selon une confi- guration de synthétiseur de fréquence à plusieurs fréquences porteuses commutables. Selon un mode de réalisation de la présente invention, la boucle à verrouillage de phase est à pompe de charge o le signal d'erreur de phase est obtenu en mesurant la largeur d'impulsions de charge et de décharge d'une capacité, la largeur de ces impulsions étant proportionnelle à l'erreur de phase. La présente invention prévoit également un dérivateur pour PLL à pompe de charge Ce dérivateur comprend des moyens pour fournir, après chaque série d'un nombre pair prédéterminé d'impulsions de charge ou de décharge, une valeur de sortie correspondant à la somme des différences de largeur des impul- sions de charge ou de décharge de ladite série. Selon un mode de réalisation de la présente invention, lesdits moyens pour fournir ladite valeur de sortie compren- nent: une porte logique recevant sur une entrée les impulsions de charge ou de décharge et sur une autre entrée un signal de fréquence élevée par rapport à la fréquence des impulsions de charge et de décharge; un compteur/décompteur recevant le signal de sortie de ladite porte logique et fournissant ladite valeur de sortie; et un séquenceur pour basculer le mode de comptage du compteur/décompteur à chaque impulsion de charge ou de décharge, et pour remettre à zéro le compteur à la fin d'une dite série d'impulsions de charge ou de décharge. Ces objets, caractéristiques et avantages ainsi que d'autres de la présente invention seront exposés en détail dans la description suivante de modes de réalisation particuliers faite en relation avec les figures jointes parmi lesquelles: la figure 1, précédemment décrite, illustre une archi- tecture classique de synthétiseur de fréquence à boucle à ver- rouillage de phase (PLL) incorporant un détecteur de verrouil- lage; la figure 2, précédemment décrite, représente des courbes d'erreur de phase et de variation de fréquence de por- teuse pour un changement de canal dans le synthétiseur à PLL de la figure 1; la figure 3 représente l'architecture de la figure 1 o des modes de réalisation classiques du comparateur de phase et du détecteur de verrouillage ont été représentés plus en détail; la figure 4 illustre un mode de réalisation de détec- teur de verrouillage selon la présente invention adapté au syn- thétiseur à PLL de la figure 3; la figure 5 représente un diagramme de variation de la fréquence porteuse lors d'un changement de canal et illustre le fonctionnement du détecteur de verrouillage de la figure 4; et la figure 6 représente sous forme de blocs un mode de réalisation de dérivateur selon 1 'invention adapté au synthé- tiseur à PLL de la figure 3. La présente invention se base sur la constatation que la dérivée y' de 1 ' erreur de phase y est proportionnelle aux variations de la fréquence F En comparant la valeur absolue de y P' à une valeur fixe (plo, on réalisera une détection de verrouillage basculant lorsque l'écart de la fréquence F par rapport à une fréquence reprogrammée est inférieur à une fréquence seuil Ft (correspondant à Jp'o) qui a l'avantage d'être une constante Ainsi, en choisissant une fréquence seuil Ft inférieure à l'écart nominal entre deux canaux successifs ( 12,5 k Hz pour la France), on sera sûr de ne pas parasiter des récep- teurs voisins lors d'un changement de canal. Avant de décrire un mode de réalisation de la présente invention, on va décrire une structure de PLL couramment uti- lisée dans des synthétiseurs de fréquence et un détecteur de verrouillage classique associé Le mode de réalisation de l'invention décrit ultérieurement sera adapté à cette architec- ture. A la figure 3, on retrouve des mêmes éléments qu'à la figure 1 désignés par des mêmes références Le PLL représenté à cette figure est dit à "pompe de charge" Le comparateur de phase 10 comprend un générateur d'impulsions 30 recevant le signal à la fréquence de référence Fref et le signal à la fréquence F/N de sortie du diviseur 12 et fournissant des impul- sions sur l'une ou l'autre de ses sorties UP et DOWN La sortie UP délivre, lorsque le signal F/N est en retard de phase par rapport au signal Fref, des impulsions dont la largeur AT est égale au retard de phase La sortie DOWN délivre, lorsque le signal F/N est en avance de phase, des impulsions dont la lar- geur AT est égale à 1 'avance de phase Les sorties UP et DOWN commandent respectivement des sources de courant 32 et 33 dispo- sées en série entre une tension d'alimentation haute Voc et une tension d'alimentation basse, telle que la masse Le point de connexion de ces sources 32 et 33 constitue la sortie du compa- rateur de phase 10 Sur cette sortie est directement disponible la tension Vc réglant la fréquence de consigne Fc du VCO 13 Le filtre passe-bas 11 comprend une résistance R et une capacité Ci disposées en série entre la sortie du comparateur 10 et la masse et une capacité C 2 branchée aux bornes de la résistance R. Avec cette configuration, les capacités Ci et C 2 sont chargées par paliers (la source 32 est commutée à la cadence Fref par un train d'impulsions UP) tant que le signal F/N est en retard de phase par rapport au signal Fref, ce qui entraîne une augmentation de la tension Vc, donc une augmentation de la fréquence F et une diminution du retard de phase Lorsque le signal F/N est en avance de phase, les capacités Cl et C 2 sont déchargées par paliers (la source 33 est commutée par un train d'impulsions DOWN) et la fréquence F diminue Et ainsi de suite jusqu'à ce que F/N = Fref. Pour réaliser une détection de verrouillage, un dispo- sitif de mesure de largeur d'impulsion 35 mesure, à chaque période 1/Fref de la fréquence Fref, la largeur AT de chacune des impulsions UP ou DOWN et fournit une valeur proportionnelle à AT correspondant à la valeur absolue de l'amplitude du signal d'erreur de phase (y à l'instant de la mesure Il faut prévoir un moyen spécifique de génération du signal y car, dans l'architec- ture de la figure 3, il n'existe pas, comme dans la figure 1, un signal yp en "amont" du filtre 11 On obtient ainsi la valeur absolue de l'erreur de phase tp échantillonnée à la fréquence Fref L'amplitude de ce signal échantillonné est comparée à une valeur de référence (po pour générer le signal de détection de verrouillage LD comme dans la figure 1 Les impulsions UP et DOWN sont fournies au dispositif 35 par l'intermédiaire d'une porte OU 36. La figure 4 représente un mode de réalisation de détecteur de verrouillage selon l'invention adapté à l'architec- ture de la figure 3 Le bloc 40 représente des éléments compris dans un cadre en pointillés de la figure 3 Ce détecteur de verrouillage comprend un dérivateur 42 recevant le signal cp et délivrant la valeur absolue de sa dérivée (' Cette valeur absolue est comparée à une valeur fixe positive cp'o par un comparateur 44 fournissant le signal de détection de verrouil- lage LD Le comparateur 44 autorise l'émission lorsque la valeur absolue de y' est inférieure à cp'O. La figure 5 représente l'allure de la variation AF de la fréquence F lors d'un changement de canal A un instant to, on sélectionne un canal distant de A Fc 3 du canal initial La variation AF présente la même allure que celle représentée en figure 2 L'émission est inhibée lorsque l'amplitude de AF se trouve en dehors d'une bande de largeur 2 Ft (la valeur Ft étant proportionnelle à la valeur fixe p'o) centrée sur A Fc 3 Cette bande est représentée en hachuré L'émission est inhibée pendant un intervalle de temps T 3 lorsque AF croît de O à A Fc 3-Ft et pendant un intervalle de temps T 4 lorsque AF est supérieur à A Fc 3 +Ft. On pourrait envisager de réaliser le dérivateur 42 sous forme analogique, mais il serait trop imprécis et peu propice à réaliser sous forme intégrée (un dérivateur analogique nécessite des capacités encombrantes) De plus, le signal c P délivré par le dispositif de mesure 35 est en forme d'échelons et est donc inapte à être traité par un dérivateur analogique à moins de le filtrer par un filtre coûteux et encombrant. Pour éviter ces inconvénients on peut réaliser le dispositif 35 sous la forme d'un compteur à fenêtre qui fournit, à la cadence Fref, les valeurs codées en binaire du signal y, ces valeurs binaires étant ensuite dérivées par un dérivateur numérique. La figure 6 illustre un schéma sous forme de blocs d'un mode de réalisation de dérivateur selon la présente inven- tion permettant de fournir un signal représentatif de la dérivée P' directement à partir des impulsions UP et DOWN fournies par le circuit 30. Le fonctionnement du dérivateur de la figure 6 est basé sur la prise de conscience du fait que la différence de largeur entre deux impulsions UP ou DOWN successives est propor- tionnelle à la dérivée recherchée y' à un instant situé entre les deux impulsions successives De plus, lorsque la fréquence F est en phase d'approche d'une fréquence de consigne Fc repro- grammée (à la figure 5, une phase d' approche débute à la fin de l'intervalle T 3 et une autre à la fin de l'intervalle T 4), les largeurs successives des impulsions UP ou DOWN décroissent et tendent vers zéro Ainsi, en retranchant à la largeur d'une première impulsion la largeur de la suivante, on obtient dans une phase d'approche des valeurs successives toujours positives et il n'est donc pas nécessaire de se préoccuper du signe de ces valeurs Le circuit de la figure 6 réalise cette opération de soustraction et fournit un signal échantillonné (' correspondant aux différences mentionnées. A la figure 6, on retrouve la porte OU 36 recevant les impulsions UP et DOWN fournies par le générateur 30 de la figure 3 La sortie de cette porte OU 36 est reliée à une entrée d'une porte ET 50 et à l'entrée d'un séquenceur (CTRL) 52 L'autre entrée de la porte ET 50 reçoit un signal d'horloge CK de fré- quence élevée par rapport à la fréquence Fref des impulsions UP ou DOWN La fréquence du signal CK est par exemple la fréquence de repos Fo du VCO 13 Avec cette configuration, on obtient à la sortie de la porte ET 50 des trains d'impulsions de fréquence Fo, le nombre d'impulsions de chaque train étant proportionnel aux largeurs des impulsions UP ou DOWN Ces trains d'impulsions sont fournis à l'entrée d'un compteur/décompteur 54 comprenant en outre une entrée U/D* de basculement en mode comptage ou décomptage, et une entrée de remise à zéro R. Le séquenceur 52, à chaque front descendant d'une impulsion UP ou DOWN fournie par la porte OU 36, bascule le mode de comptage du compteur 54 Ainsi, le compteur incrémentera, par exemple, son contenu à chaque impulsion d'un premier train d'impulsions fourni par le porte ET 50 et décrémentera son contenu à chaque impulsion d'un deuxième train Par conséquent, au bout d'un nombre pair d'impulsions UP ou DOWN, le compteur 54 contiendra une valeur, fournie en tant que valeur de sortie V' du dérivateur, qui est proportionnelle à la valeur moyenne de la dérivée (p' sur le nombre de couples d'impulsions UP ou DOWN qui se sont produits. Bien entendu, il faut réinitialiser périodiquement le compteur 54 Le séquenceur 52 effectue cela après chaque série d'un nombre pair d'impulsions UP ou DOWN, le nombre pair étant fixé une fois pour toutes par le séquenceur Chaque réinitiali- sation se produit de préférence lorsque le compteur 54 est en mode décomptage, de sorte qu'il se retrouve en mode comptage dès le premier train d'impulsions de la série suivante. Après chaque série d'impulsions UP ou DOWN, juste avant la réinitialisation du compteur 54, une bascule 56 validée par le séquenceur 52 transmet le contenu (' du compteur 54 à une entrée A d'un comparateur numérique 44 Cette donnée (D est comparée à une donnée seuil fixe D o fournie à une entrée B du comparateur 44 Ce comparateur 44 fournit sur une sortie A inférieur à (Vo. Au lieu d'être disposée à la sortie du compteur 54, la bascule 56 peut aussi être disposée à la sortie A teur 44 La bascule 56 est alors de 1 bit au lieu d' être au nombre de bits du compteur 54. L'homme du métier notera qu'il existe de nombreuses façons de réaliser le séquenceur 52 avec des bascules et des circuits de retard pour réaliser les fonctions décrites. De nombreuses variantes et modifications de la pré- sente invention apparaîtront à l'homme de l'art, notamment, dans la réalisation du circuit dérivateur. il REVENDICATIONS 1 Détecteur de verrouillage d'une boucle à verrouil- lage de phase (PLL) dans laquelle est généré un signal d'erreur de phase (V) représentatif de la différence de phase entre un signal de référence (Fref) et un signal (F) à verrouiller sur le signal de référence, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens ( 42) permettant de fournir une valeur de sortie (VI) proportion- nelle à la dérivée du signal d'erreur de phase (V) et un compa- rateur ( 44) activant un signal de détection de verrouillage (LD) lorsque l'amplitude de ladite valeur de sortie (V') est infé- rieure à un seuil prédéterminé (V'o). 2 Détecteur de verrouillage selon la revendication 1, caractérisé en ce que la boucle à verrouillage de phase est uti- lisée selon une configuration de synthétiseur de fréquence à plusieurs fréquences porteuses (Fc) commutables. 3 Détecteur de verrouillage selon la revendication 1, caractérisé en ce que la boucle à verrouillage de phase est à pompe de charge o le signal d'erreur de phase (V) est obtenu en mesurant la largeur d'impulsions de charge (UP) et de décharge (DOWN) d'une capacité (Ci, C 2), la largeur de ces impulsions étant proportionnelle à l'erreur de phase (V). 4 Dérivateur pour détecteur de verrouillage selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens pour fournir, après chaque série d'un nombre pair prédéterminé d'impulsions de charge (UP) ou de décharge (DOWN), une valeur de sortie (D') correspondant à la somme des différences de largeur des impulsions de charge ou de décharge de ladite série. Dérivateur selon la revendication 4, caractérisé en ce que lesdits moyens pour fournir ladite valeur de sortie (D') comprennent: une porte logique ( 50) recevant sur une entrée les impulsions de charge (UP) ou de décharge (DOWN) et sur une autre entrée un signal (CK) de fréquence élevée (Fa) par rapport à la fréquence (Fref) des impulsions de charge et de décharge; un compteur/décompteur ( 54) recevant le signal de sortie de ladite porte logique ( 50) et fournissant ladite valeur de sortie (D'); et un séquenceur ( 52) pour basculer le mode de comptage du compteur/décompteur ( 54) à chaque impulsion de charge ou de décharge, et pour remettre à zéro le compteur ( 54) à la fin d'une dite série d'impulsions de charge ou de décharge.