Brevet FR2709623A1 — publié le 19950310

FILTRE DE BOUCLE A VERROUILLAGE DE PHASE NUMERIQUE La présente invention concerne la réalisation d'un filtre utilisé dans une boucle à verrouillage de phase numé- rique et sera plus particulièrement exposée en relation avec l'application d'une telle boucle à verrouillage de phase dans un système de récupération de porteuse d'un modem couplé à une ligne téléphonique. Pour tout ce qui concerne les applications de la pré- sente invention aux modem, on considérera comme connu l'ouvrage "Digital Communication" de E. A. Lee et D. G. Messerschmitt, Kluwer Academic Publishers, quatrième édition, 1992. On considè- rera plus particulièrement comme connu le chapitre 14 de cet ouvrage intitulé "Carrier Recovery" (récupération de porteuse), PP 548-557, dont les figures 14-2 et 14-6 sont reproduites dans les figures 1 et 2 cijointes.15 On se placera ici dans les mêmes hypothèses que celles énoncées au début de ce chapitre 14. On suppose que l'horloge d'échantillonnage, ou horloge de symboles ou de bauds, a une fréquence connue et que l'on vise seulement à effectuer une récupération précise de la fréquence porteuse en tenant compte20 d'un décalage de fréquence et d'une gigue de phase. Pour cela, les circuits d'entrée d'un modem déter- minent à partir du signal analogique reçu sur la ligne télépho- nique, une fois à chaque période de l'horloge d'échantillonnage, un signal complexe qui, si la transmission était exempte de tout 5 défaut, devrait correspondre à un symbole émis. Comme le repré- sente la figure 1, ce signal complexe est appliqué à l'entrée d'un détecteur de phase 1 et plus particulièrement à une pre- mière entrée d'un multiplieur 2. La sortie du multiplieur 2 est envoyée à la première entrée d'un système de mesure d'angle 3 et à l'entrée d'un circuit de décision 4. L'autre entrée du système de mesure d'angle 3 est constituée par la sortie du circuit de décision 4 qui estime, à partir de tables mémorisées, quelles sont la phase et l'amplitude du symbole présentant des caracté- ristiques les plus voisines du symbole reçu. Le circuit de15 mesure d'angle détermine la différence ou erreur angulaire Ek entre le symbole reçu et le symbole estimé et utilise cette différence pour recaler un oscillateur ou VCO complexe 5 four- nissant un signal complexe qui va servir à "démoduler" dans le multiplieur 2 le signal d'entrée. Entre le système 3 de mesure20 d'angle d'erreur et l'entrée du VCO complexe 5 est prévu un fil- tre de boucle 6. On reconnait bien là une boucle à verrouillage de phase numérique classique, la différence étant que le signal de référence au lieu d'être fourni de façon externe est une estimation fournie par le circuit de décision 4. La figure 14-6 de l'ouvrage susmentionné, reproduite dans la figure 2 ci-après, donne un exemple de réalisation du circuit de la figure 1. On ne décrira pas en détail ce circuit dans lequel des notations mathématiques classiques désignent des parties réelles et des parties imaginaires. On notera seulement30 dans la partie inférieure droite de la figure qu'il est donné un exemple de filtre utilisable. En l'espèce, le filtre est un filtre du type intégral comprenant un multiplieur multipliant le signal d'erreur par une constante KL. A chaque période d'hor- loge, la sortie du multiplieur est additionnée au contenu d'un registre z-1. On trouve donc bien à la sortie du registre une erreur cumulée qui correspond à une intégration de l'erreur. Un problème qui se pose avec le filtre utilisé dans cette application particulière et plus généralement dans les filtres de boucle PLL est que, lors d'un fonctionnement initial, par exemple lors de la phase initiale d'apprentissage à la mise en communication de deux modem, il faut rattraper rapidement une erreur qui peut être importante. Par contre, une fois la correc- tion initiale effectuée, par exemple tandis qu'un modem est en cours de communication, la phase n'est plus susceptible de varier dans des proportions importantes. On souhaite donc pen- dant la phase initiale utiliser un coefficient KL relativement élevé pour assurer un asservissement rapide puis, une fois que la communication est établie, diminuer le coefficient KL (et plus généralement les coefficients de filtrage K) pour permettre d'effectuer des petites corrections et ne pas tenir compte de fluctuations importantes instantanées correspondant normalement à des parasites accidentels. On a donc déjà prévu dans l'art antérieur des boucles à verrouillage de phase numériques dans lesquelles les coeffi- cients de filtrage sont modifiés entre une valeur haute initiale et une valeur plus faible de fonctionnement normal. Toutefois, cette commutation relativement brutale de ce ou ces coefficients de filtrage K qui correspondent en quel- que sorte à la constante de temps d'un filtre analogique peut dans certains cas, et notamment dans l'application aux modem dans lesquels d'autres algorithmes adaptatifs fonctionnent en parallèle de façon convergente, provoquer un décrochage de la boucle. Pour pallier cet inconvénient, la présente invention prévoit un filtre numérique de boucle à verrouillage de phase numérique dans lequel les coefficients de filtrage sont régu- lièrement décrémentés à chaque pas d'horloge entre une valeur initiale et une valeur finale. La présente invention prévoit en particulier que ces coefficients de filtrage sont décrémentés linéairement à chaque pas d'horloge même si cette décrémentation linéaire ne corres- pond pas à une variation linéaire de la largeur de bande du filtre. L 'invention s'applique, en particulier, à un filtre numérique de type proportionnel-intégral. Selon un mode de réalisation de la présente invention, les moyens de décrémentation linéaire d'un coefficient compren- nent un registre contenant la valeur courante du coefficient, des moyens pour charger initialement oe registre avec une valeur initiale, des moyens pour soustraire à chaque temps d'horloge au contenu du filtre un incrément, des moyens pour comparer la valeur courante du filtre à une valeur finale, et des moyens pour interrompre le fonctionnement du système de décrémentation quand la valeur courante du coefficient a atteint la valeur minimale. Ces objets, caractéristiques et avantages ainsi que d'autres de la présente invention seront exposés en détail dans la description suivante d'un mode de réalisation particulier faite à titre non limitatif en relation avec les figures jointes parmi lesquelles: les figures 1 et 2, décrites précédemment, correspon- dent aux figures 14-2 (page 551) et 14-6 (page 554) de l'ouvrage susmentionné de Lee et Messerschmitt; la figure 3 représente un exemple de filtre auquel s'applique la présente invention; et la figure 4 représente un exemple de circuit d'ajus- tement de coefficient de filtrage selon la présente invention. La figure 3 représente un filtre numérique de type proportionnel- intégral qui constitue un exemple de filtre numé- rique de boucle à verrouillage de phase numérique auquel s'ap- plique la présente invention. L'entrée de ce filtre reçoit un signal d'erreur, par exemple une erreur angulaire ee (appelée ck en figure 1). Ce signal d'erreur est envoyé à deux circuits multiplieurs 11 et 12 effectuant respectivement des multiplica- tions par des coefficients K1 et K2. La sortie du multiplieur 11 est envoyée à une première entrée d'un additionneur 13 dont la sortie est envoyée à un registre ou case mémoire 15. La sortie du multiplieur 12 est envoyée à une première entrée d'un addi- tionneur 17 dont la sortie est rebouclée sur sa deuxième entrée par l'intermédiaire d'un registre 19 et est également envoyée à une deuxième entree de 1' additionneur 13. La sortie du registre 15 est appliquée à une troisième entrée de l'additionneur 13. L'entrée ee est par exemple codée sur 16 bits, la sortie des multiplieurs 11 et 12 sur 32 bits et la sortie du registre ou case mémoire 15 sur 16 bits. Les registres 15 et 19 sont séquences au rythme de l'horloge du système, l'horloge de bauds dans le cas d'un modem. A chaque temps d'horloge, les registres 15 et 19 fournissent la valeur qu'ils contiennent et remplacent oette valeur par la nouvelle valeur présentée sur leur entrée. On appelle FREQi l'erreur intégrée à un instant d'horloge ti dans le registre 19, cette erreur pouvant être considérée comme une erreur de fréquenoe. On appelle efi 1 'erreur filtrée contenue dans le registre 15 à cet instant. Ainsi à un instant ti on a Ofi = Ofi-1 + Kl.-ei_1 + FREQi_ FREQi = FREQi_1 + K2.eei-1 Dans un tel filtre proportionnel-intégral, comme cela est connu, les valeurs de K1 et K2 définissent la bande passante du filtre. La présente invention propose de modifier sur une du- rée déterminée, c'est-à-dire sur un nombre déterminé de périodes d'échantillonnage, la bande passante du filtre en modifiant chacun des coefficients K1, K2 à chaque temps d'horloge. Dans le cas du filtre particulier décrit, les coefficients doivent être diminués à chaque temps d'horloge si l'on veut diminuer la bande passante du filtre. Un processus de réduction des valeurs des coefficients de filtrage K, utilisé pour chacun des coefficients, est illus- tré en figure 4. A un instant initial, une valeur initiale KMAX d'un coefficient K est introduite dans un registre ou case mémoire 20. La sortie de ce registre est envoyée à une entrée additionneuse d'un soustracteur 21 dont l'entrée de soustraction reçoit une valeur de décrémentation KDEC du coefficient K. On a donc à tout instant à la sortie du registre 20 une valeur Ki = KMAX - i-KDEC qui est appliquée conmme entrée de coefficient au multiplieur 11 ou 12 de la figure 3. La sortie Ki est également appliquée à un camparateur 22 qui compare cette valeur courante à une valeur minimale KMIN. Quand la valeur Ki atteint la valeur KMIN, la sortie du comparateur 22 inhibe le fonctionnement de la boucle 20, 21 et la valeur Ki reste fixée à la valeur KMIN. Bien entendu, le circuit illustré en figure 4 ne cons- titue qu'un exemple de réalisation d'un circuit de décrémenta- tion d'une valeur numérique et beaucoup d'autres moyens maté- riels et/ou logiciels pourront être utilisés pour assurer cette fonction. Toutefois, selon un aspect de la présente invention, on préfère utiliser un processus analogue à celui illustré en figure 4 dans lequel la décrémentation des coefficients est une décrémentation linéaire. On notera qu'une décrémentation liné- aire des coefficients K1 et K2 n'entraîne pas nécessairement une décrémentation linéaire de la bande passante du filtre. Par exemple, dans le cas d'un filtre proportionnel-intégral, alors que, pour obtenir une décrémentation linéaire de la bande passante du filtre, le coefficient K1 doit effectivement être décrémenté de façon linéaire, le coefficient K2 doit être décré- menté selon une fonction d'ordre plus élevé. Par exemple, si l'on réalise une décrémentation sur 500 temps d'horloge dans le cas d'un modem dont la fréquence d'échantillonnage est de 2400 Hz, et dont la fréquence porteuse est voisine de 1800 Hz, les valeurs initiales de K1 et K2 devront être choisies respec- tivement de 5,4.10-2 et de 1,5.10-3 pour avoir une largeur de bande de filtre de l'ordre de 10 Hz puis de 3,7.10-3 et 6,8.10-6 pour avoir une largeur de bande de l'ordre de 1 Hz. Avec une décrémentation linéaire, ceci donne au 250ème temps d'horloge pour K1 une valeur de 2,9.10-2 et pour K2 une valeur de l'ordre de 4,3. 10-4. Avec une décrémentation non-linéaire provoquant une réduction linéaire de la bande passante, on aurait au 250ème temps d'horloge la même valeur de K1 mais une valeur de K2 de sensiblement 7,5.10-4. En pratique, il s'avère que l'approximation linéaire ne modifie pas sensiblement la convergence de la boucle. Cette vérification réalisée par 1 'inventeur est impor- tante puisque l'objet de la présente invention est de réaliser une boucle dont la convergence soit progressive et comanpatible avec la convergence d'autres algorithmes adaptatifs du modem, par exemple des boucles utilisées en relation avec les systèmes de suppression de gigue de phase. La présente invention a été expliquée dans le cadre de deux exemples particuliers: d'une part d'une boucle de récupé- ration de porteuse dans un modem, d'autre part d'un filtre de type proportionnel-intégral. La présente invention s'applique- rait de la même manière à des applications à d'autres boucles (telles que des boucles d'annulation d'écho ou de récupération d'horloge) et à d'autres filtres. On notera que, dans des fil- tres distincts, par exemple d'ordre plus élevé, il est possible qu'il soit nécessaire pour arriver à une réduction de bande passante de faire croître et non pas décroître certains des coefficients de filtrage. L'invention s'appliquera à de tels filtres de façon correspondante, son aspect essentiel résidant dans la modification à chaque temps d'horloge des coefficients de filtrage entre une valeur initiale et une valeur finale. REVENDICATIONS 1. Filtre numérique de boucle à verrouillage de phase numérique dans lequel des signaux d'erreur incidents subissent au moins une multiplication par un coefficient de filtrage (K) avant d'être traités numériquement à chaque temps d'horloge pour fournir un signal filtré, caractérisé en oe qu'il comprend des moyens de modification par incrément de la valeur dudit au moins un coefficient de filtrage (K) à chaque temps d'horloge pendant une période initiale de fonctionnement du filtre. 2. Filtre selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens de modification dudit au moins un coefficient sont des moyens de décrémentation linéaire. 3. Filtre selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en oe qu'il est du type proportionnel-intégral. 4. Filtre selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les valeurs initiale et finale dudit au moins un coefficient (K) sont choisies pour que le filtre ait des bandes passantes initiale et finale prédéterminées. 5. Filtre selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'il est incorporé dans un modem, la fréquenoe à filtrer étant la fréquence porteuse et la fréquence d'échantillonnage étant la fréquence de bauds. 6. Filtre selon la revendication 2, caractérisé en ce que les moyens de décrémentation linéaire dudit au moins un coefficient (K) comprennent: un registre (20) contenant la valeur courante (Ki) du coefficient, des moyens pour charger initialement ce registre avec une valeur initiale (KMAX), des moyens (21) pour soustraire à chaque temps d'hor- loge au contenu du filtre un incrément (KDEC), des moyens (22) pour comparer la valeur courante du filtre à une valeur finale (KMIN), et des moyens pour interrompre le fonctionnement du sys- téme de décrémentation quand la valeur courante (Ki) du coef- ficient a atteint la valeur minimale (KMIN).