Brevet FR2705846A1 — publié le 19941202

Emetteur de puissance à l'état solide fonctionnant en modulation d'amplitude. La présente invention concerne le domaine des émetteurs à l'état solide fonctionnant en modulation d'amplitude. II est connu de réaliser un émetteur de puissance en commutant en série les sorties d'un nombre plus ou moins grand d'amplificateurs de petite puissance travaillant à la fréquence du signal RF qui constitue le signal à moduler ; le nombre d'amplificateurs qui sont commutés à chaque fois est fonction du signal modulant le plus souvent constitué par un signal audio; pour affiner le signal obtenu il est connu d'utiliser, en plus d'une série plus ou moins grande d'amplificateurs identiques, quelques amplificateurs qui, pour un même signal d'entrée, fournissent des signaux présentant, par exemple, une amplitude divisée respectivement par 2, 4, 8 par rapport à l'amplitude à la sortie d'un amplificateur de la série. Un tel émetteur ne permet pas, du fait des variations par paliers, de suivre avec précision les variations du signal modulant. II est également connu de réaliser un émetteur de puissance avec deux chaînes d'amplification parallèles, déphasées, respectivement en plus et en moins, en fonction de l'amplitude du signal modulant; chaque chaîne comporte un circuit d'amplification puis un circuit de filtrage et les sorties des deux chaînes sont couplées par un circuit dont la sortie est reliée à l'antenne de l'émetteur. Un tel montage nécessite deux circuits de filtrage compliqués et onéreux et utilise généralement des ponts H dans lesquels le fait de travailler en déphasé entraîne des pertes importantes dans les composants. La présente invention a pour but d'éviter ou, pour le moins, de réduire ces inconvénients. Dans un émetteur fait d'amplificateurs à l'état solide ceci est obtenu en réalisant, en fonction de l'amplitude instantanée du signal modulant, une première modulation qui consiste à sélectionner un certain nombre des amplificateurs et à les faire travailler à leur niveau de puissance nominale et une seconde modulation qui porte sur un nombre restreint des amplificateurs restants et qui consiste, pour chacun d'entre eux, à les faire travailler avec un niveau de puissance inférieur par une commande en phase; la première modulation fournit un premier signal proche, à un niveau nominal près, du signal désiré, et la seconde modulation qui, au rythme du signal modulé, ne laisse travailler les amplificateurs qu'une partie du temps fonction de la différence entre le premier signal et le signal désiré, fournit le signal correspondant à cette différence. Selon l'invention il est proposé un émetteur de puissance à l'état solide pour émettre un signal correspondant à la modulation en amplitude d'un signal à moduler par un signal modulant, comportant un nombre entier de blocs d'amplification ayant leurs sorties en série et présentant un niveau nominal de fonctionnement identique, un ensemble de traitement pour recevoir le signal modulant et fournir un premier signal numérique dont la valeur est fonction de l'amplitude du signal modulant, un circuit de commande de niveau pour recevoir le premier signal et en fonction de ce premier signal, pouvoir sélectionner, à chaque instant, un nombre de blocs dont la somme des niveaux nominaux corresponde, à un niveau nominal près, à l'amplitude du signal à émettre, et des moyens pour fournir un second signal numérique représentatif de la différence entre l'amplitude du signal à émettre et la somme des niveaux nominaux des blocs sélectionnés, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens de commande de phase pour sélectionner un autre des blocs et lui appliquer une commande de phase fonction du second signal afin que son niveau moyen de sortie corresponde à la différence. La présente invention sera mieux comprise et d'autres caractéristiques apparaîtront à l'aide de la description ci-après et des figures s'y rapportant qui représentent: - la figure 1, un amplificateur commandé en phase, - la figure 2, un diagramme relatif à l'invention, - la figure 3, un schéma d'un émetteur selon l'invention, - les figures 4 à 6, des schémas de détails relatifs à des éléments de l'émetteur selon la figure 3. La figure 1 montre un amplificateur commandé en phase, dans lequel le signal d'entrée E est un signal rectangulaire amplifié avec un gain donné et avec une largeur qui peut prendre différentes valeurs en fonction d'une commande de phase C. De tels amplificateurs existent, ce sont en particulier les amplificateurs dits ponts H; ils permettent d'obtenir un signal de sortie S en phase avec le signal d'entrée E mais dont la largeur des signaux qui le composent et donc la puissance de sortie, sont fonction de la commande C. II est à noter que, avec de tels amplificateurs, le signal de sortie en phase avec le signal d'entrée peut être obtenu en utilisant une commande faite soit de deux signaux de même amplitude mais de phases respectives -(p et + et+cp par rapport au signal E soit de deux signaux d'amplitudes et de phases différentes mais dont la somme donne un signal en phase avec le signal E. Les amplificateurs pont H comportent deux entrées sur lesquelles peuvent être respectivement appliqués les deux signaux de la commande afin de délivrer en sortie le signal dont la largeur est fonction de la commande et varie d'une largeur nulle, correspondant à une puissance nulle, pour (p=90" à une largeur nominale, correspondant à une puissance maximale, pour (p=0 ; avec des amplificateurs ne comportant qu'une entrée de commande ou des amplificateurs pont H commandés par un seul signal, il faut, pour retrouver des signaux en phase avec le signal d'entrée, combiner convenablement les signaux de sortie de deux amplificateurs ou de deux groupes d'amplificateurs. L'exemple de réalisation décrit dans ce qui suit concerne un émetteur fait d'amplificateurs pont H dont les signaux de sortie sont en phase avec les signaux d'entrée. La figure 2 est un graphique destiné à une explication simple du principe de fonctionnement d'un émetteur selon l'invention. Le but à atteindre est de réaliser, avec un signal basse fréquence, A, tel qu'un signal audio, une modulation d'un signal radiofréquence, qui sera dit signal RF et qui dans l'exemple décrit est réglable de 150 kHz à 1,7MHz. Sur la figure 2 est dessinée une courbe A représentative d'un signal basse fréquence, A, modulant. Une approximation de la courbe A, par valeurs inférieures, est donnée par une courbe B en marches d'escalier toutes de même hauteur. Sur la figure 2 a été également dessiné une courbe D représentative de la différence des amplitudes entre les courbes A et B. Dans l'émetteur de puissance la modulation du signal radiofréquence par un signal comme le signal A va principalement consister à obtenir et à additionner deux signaux: un premier signal RF présentant une enveloppe fonction de la courbe B et un second signal RF de même phase, présentant après filtrage une enveloppe fonction de la courbe D. Le premier signal sera obtenu de façon simple en additionnant les signaux de sortie RF d'amplificateurs tous de même fréquence, même phase, même amplitude et même puissance. Le second signal sera obtenu avec un amplificateur capable de fournir un signal RF de même fréquence, même phase, même amplitude que pour les amplificateurs délivrant le premier signal, mais avec une puissance inférieure; pour cela l'amplificateur sera un amplificateur du genre de celui décrit à l'aide de la figure 1 et une commande en phase de l'amplificateur sera effectuée avec un signal de commande correspondant à la courbe D. II est à noter que les amplificateurs dont il est question ici seront en fait, dans l'exemple décrit, des blocs d'amplification composés de quatre amplificateurs dont les entrées correspondantes seront disposées en parallèle et dont les sorties seront disposées en série. La figure 3 est un schéma simplifié d'un émetteur conçu pour réaliser une modulation, comme indiqué au paragraphe précédent, d'un signal RF par un signal basse fréquence, A. L'émetteur selon la figure 3 comporte un convertisseur analogique-numérique 1 sur lequel est appliqué le signal basse fréquence modulant, A. Des valeurs numériques du signal A sont délivrées à un circuit de traitement 2, à une fréquence d'échantillonnage de 93 kHz, selon des nombres de 12 bits transmis en parallèle. Le circuit de traitement 2 est un circuit classique, c'est pourquoi seules ses fonctions seront indiquées ci-après: - calcul par interpolation à la fréquence de 6 MHz, pour définir un nombre d'échantillons environ 64 fois supérieur à celui du convertisseur (6 MHz/93kHz ~64); ceci permet d'avoir le même nombre d'échantillons qu'avec un convertisseur analogique numérique travaillant à 64 MHz mais à un prix nettement plus bas, - détermination du signe de la pente de son signal d'entrée fourni par le circuit 1, - pré-correction du signal numérique en fonction du type de modulation choisi; le type de modulation est donné par une mémoire à double accès, non représentée, lue par le circuit de traitement et écrite par un microprocesseur, non représenté, en fonction des instructions données par un utilisateur. - multiplication des valeurs obtenues après le calcul par interpolation et la pré-correction, par un coefficient représentatif de la puissance de sortie désirée pour l'émetteur. Le circuit de traitement 2 délivre ainsi des nombres de 12 bits transmis en parallèle et un signal de pente positive ou négative, p. Les six bits de poids forts parmi les 12 bits sont transmis à un circuit de commande de niveau, 3; ces six bits déterminent à tout instant les blocs d'amplification à utiliser pour obtenir un signal RF dont l'enveloppe, pour les alternances positives, est du type de la courbe B selon la figure 2. Les six bits de poids faibles sont transmis à un circuit de commande de phase; ce sont eux qui vont permettre de réaliser une commande en phase comme expliqué à l'aide de la figure I, afin d'obtenir, après filtrage, un signal RF dont l'enveloppe, pour les alternances positives, est du type de la courbe D selon la figure 2. Le signal de pente positive ou négative p est un signal 0 ou 1 délivré au circuit 3. Le circuit de commande de phase 4 est utilisé pour moduler positivement et négativement le signal RF par l'intermédiaire respectivement de deux chaînes qui reçoivent chacune les six bits de poids faibles en provenance du circuit 2; la première de ces chaînes comporte en série un oscillateur numérique 41 (numerical dock oscillator dans la littérature anglosaxonne), suivi d'un convertisseur numérique analogique 43, suivi d'un filtre 45, lui-même suivi d'un circuit bistable (trigger circuit dans la littérature anglo-saxonne) déclenché au passage par zéro de son signal d'entrée ; la seconde chaîne comporte en plus un inverseur numérique 40 et ses éléments correspondants sont désignés par des repères augmentés de 1 par rapport aux repères de la première chaîne. Les oscillateurs numériques, pour fournir des signaux RF modulés en phase1 doivent avoir une fréquence d'horloge suffisamment haute; elle a été choisie, ici, égale à 8 fois la fréquence RF. Les signaux RF obtenus à la sortie des oscillateurs 41, 42, sont convertis en analogique par les convertisseurs 43, 44 et filtrés par les filtres 45, 46, pour pouvoir commander les circuits bistables 47, 48 qui donnent ainsi les signaux rectangulaires de modulation, dits signaux -(p et +cp, dont il a été question lors de la description de la figure 1; ces signaux varient, en valeur absolue, entre 0 et 90" selon la valeur des six bits de poids faibles. Le circuit de commande de phase 4 comporte des circuits ne présentant aucune difficulté de réalisation et qui, pour simplifier le dessin, n'ont pas été représentés sur la figure 4; il s'agit d'un circuit pour fournir, en permanence et au rythme du signal RF, les signaux de modulation dits +cl =90" et -cp =- 90" et pour fournir en permanence le signal de modulation dit signal cp=O"qui est un signal rectangulaire en phase avec le signal RF. Le circuit de commande de niveau 3 de la figure 3 comporte deux groupes de sorties: un de 6 et un de 48 sorties; le groupe de 6 sorties est relié à 6 entrées d'un démultiplexeur 6; les 48 sorties de l'autre groupe sont reliées respectivement à 48 blocs d'amplification constitués chacun de quatre amplificateurs ponts H tels que le bloc AI constitué des amplificateurs ponts H, Al-l, A1-49, A1-97, A1-145. Le démultiplexeur 6 reçoit également les signaux de sortie du circuit de commande de phase 4 qui lui sont fournis sur six conducteurs distincts. Les 4 x48 = 192 amplificateurs ponts H qui constituent les 48 blocs d'alimentation sont respectivement reliés aux primaires de 192 transformateurs T1 à T 192 dont les secondaires, constitués dans l'exemple décrit d'une seule spire chacun, sont disposés en série dans une liaisori entre un point à la terre et l'entrée d'un filtre 7. Ce filtre constitue le filtre de sortie de l'émetteur et comporte une sortie reliée à une antenne 8. Le filtre 7 réalise le filtrage des harmoniques produits par le signal rectangulaire de sortie des amplificateurs; c'est le filtrage, dont il a été question dans ce qui précède, pour donner le signal RF avec une enveloppe de la forme de la courbe D selon la figure 2. II est à noter que la liaison avec les 192 secondaires de transformateurs est relativement longue: environ huit mètres dans l'exemple décrit. Cette longueur n'est pas négligeable devant la longueur d'onde du signal RF, surtout pour une fréquence RF élevée ; c'est pour éviter une variation entre les charges des 48 blocs, et cela afin qu'ils fournissent tous le même niveau de signal, que les quatre amplificateurs de chaque bloc sont, non pas localisées en un même endroit de la liaison mais régulièrement répartis à environ deux mètres les uns des autres dans la liaison, comme par exemple les amplificateurs A1-1, A1-49, A1-97 et AI-I 45 du bloc Al. L'ensemble de l'émetteur selon la figure 2 est piloté par un circuit d'horloge 5 qui reçoit le signal RF utilisé comme signal pilote pour synchroniser les signaux à 93 kHz et 6 MHz dont il a été question plus avant et fournir en synchronisme un signal de fréquence 8RF qui est utilisé par le circuit de commande de phase 4. Le circuit de commande de niveau 3 détermine, en fonction des six bits de poids forts qu'il reçoit du circuit de traitement, combien, parmi les 48 blocs Al à A48 doivent fournir leur puissance nominale à l'antenne; en fait seuls 47 blocs sont disponibles car un des 48 blocs est utilisé pour fournir une puissance inférieure fonction de la valeur des signaux +(p-(p variables déterminée par les six bits de poids faibles. Afin d'éviter que certains blocs soient beaucoup plus utilisés que d'autres et risquent donc de vieillir plus rapidement, les adresses des 48 blocs sont disposées en deux piles: une pile des blocs validés, Pv, et une pile des blocs non-validés, Pn; ce sont des piles "premier entré -premier sorti" et elles sont représentées sur la figure 5 par des colonnes de chiffres où chaque chiffre, tel que 2, symbolise un bloc, tel que A2 par exemple. Le passage d'une pile à l'autre se fait dans les conditions suivantes: lors de tout passage de (p par O et 90 , c'est-à-dire de D (figure 2) par O et 90 , le circuit de commande de niveau, 3, - si la pente p est positive, désigne le premier de la pile des non-validés pour qu'il soit activé en fonction de (p mais ne le fait passer dans la pile des validés que si, au passage suivant de Dans ces colonnes certains chiffres sont suivis de la lettre M ; cette lettre signifie que le bloc est activé mais n'est pas encore autorisé à passer dans la pile des validés; ainsi la colonne 1, 2, 3...,8,9M signifie que les blocs 1 à 9 sont activés mais que seuls les blocs 1 à 8 sont dans la pile Pv des validés et il est d'ailleurs à noter que, dans la colonne suivante, le bloc 9 ne se trouve pas dans la pile des validés. Le circuit de commande de niveau fournit ainsi 48 signaux arrêtmarche Val à Va48, qui sont directement utilisés pour commander l'arrêt ou la marche des alimentations des 48 blocs AI à A48; ces 48 signaux sont également fournis au démultiplexeur 6 pour lui donner les adresses de ceux des 48 blocs d'amplification qui doivent être activés. Le circuit de commande de niveau 3 fournit également, par ses 48 sorties qui sont uniquement reliées au démultiplexeur 6, 48 signaux pour désigner au démultiplexeur 6 celui, parmi les blocs d'amplification activés, auquel doivent être appliqués les signaux de modulation dits +cp et - cp variables; les autres blocs activés reçoivent chacun les signaux identiques dits +(p = + 0 et - (p = - du démultiplexeur, tandis que les blocs non activés reçoivent chacun les signaux de modulation dits +(p = + 90 et - La figure 6 représente le circuit de commande de niveau 3, le démultiplexeur 6, un seul, Al, des 48 blocs d'alimentation, les transformateurs de sortie de ce bloc, le filtre 7 et l'antenne 8. Les 47 autres blocs étant identiques au bloc Al n'ont pas été représentés mais, à la sortie du circuit 3, les 48 commandes d'arrêt-marche relatives aux alimentations des 48 blocs ont été indiquées; de même, à la sortie du démultiplexeur 6, les 48 paires de commande +(p, - (p relatives aux entrées de commande de commutation des 48 blocs, ont été indiquées. Comme ii a été noté lors de la description de la figure 3, le bloc d'amplification Ai comporte quatre amplificateurs pont H avec une alimentation commune V. Cette alimentation comporte une source, non représentée, qui fournit une tension d'alimentation continue V qui, dans chaque amplificateur, est "découpée" par un transistor, Q5. Le transistor Q5 est un transistor MOSFET commandé par celui, Val, des 48 signaux arrêtmarche, Val à Va48, relatif au bloc AI. Les 192 amplificateurs ponts H de l'émetteur étant tous identiques, seul le premier Ai-l des quatre amplificateurs du bloc Al a été dessiné sur la figure 6, les trois autres amplificateurs, A1-49, A1-97 et Al- 145 y étant symbolisés par un rectangle. L'amplificateur pont H, A1-1 est un amplificateur classique ; son fonctionnement ne sera donc rappelé que succinctement et de plus sur la figure 6, des éléments qui le composent, seuls les transistors sont repérés ; il s'agit, en plus du transistor Q5, de quatre transistors MOSFET, Q1-Q4, fonctionnant en régime de commutation pour se comporter en interrupteurs. L'alimentation est appliquée sur les drains des transistors Q1, Q3 dont les sources sont respectivement reliées aux drains des transistors Q2, Q4; les sources des transistors Q2, Q4 sont, chacune, reliées au drain de Q5 à travers une diode. Un condensateur Ca est placé entre la masse et le point d'application de la tension V à I'amplificateuc. L'amplift'cateur A1-1 est commuté - au rythme du signal basse fréquence A selon soit les signaux variables dits +p, -(p, soit les signaux dits +90 , -90 , soit les signaux dits +0 , -0 fournis au démultiplexeur 6 par le circuit de commande de phase 3, comme il a été vu lors de la description de la figure 3. Le choix entre ces trois paires de signaux de commande est effectué par le démultiplexeur 6 à l'aide des 6 signaux délivrés par le circuit 3; ces 6 signaux ne désignent qu'un seul des 48 blocs à la fois et à ce bloc sont appliqués les signaux variables dits +# , - Sur la figure 6 sont représentés les transformateurs de sortie T1, T49, T97, Tu 45 du bloc d'amplification -Al,- A1,- avec leurs secondaires monospire en série entre la masse et le filtre 7 dont la sortie est reliée à l'antenne 8. La présente invention n'est pas limitée à l'exemple décrit c'est ainsi, en particulier, que le nombre, le type et le groupement des amplificateurs peut être modifié à condition de modifier corrélativement leurs signaux de commande ; en particulier chaque bloc d'amplification peut ne comporter qu'un seul amplificateur. REVENDICATIONS 1. Emetteur de puissance à l'état solide pour émettre un signal correspondant à la modulation en amplitude d'un signal à moduler (RF) par un signal modulant (A), comportant un nombre entier de blocs d'amplification (A1-A48) ayant leurs sorties en série et présentant un niveau nominal de fonctionnement identique, un ensemble de traitement (1, 2) pour recevoir le signal modulant (A) et fournir un premier signal numérique dont la valeur est fonction de l'amplitude du signal modulant, un circuit de commande de niveau (3) pour recevoir le premier signal et en fonction de ce premier signal, pouvoir sélectionner, à chaque instant, un nombre de blocs dont la somme des niveaux nominaux corresponde, à un niveau nominal près, à l'amplitude du signal à émettre, et des moyens (2) pour fournit un second signal numérique représentatif de la différence entre l'amplitude du signal à émettre et la somme des niveaux nominaux des blocs sélectionnés, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens de commande de phase (3, 4) pour sélectionner un autre des blocs et lui appliquer une commande de phase (+(p,-(p) fonction du second signal afin que son niveau moyen de sortie corresponde à la différence. 2. Emetteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que les blocs sont constitués de n amplificateurs identiques avec n entier supérieur à I, ayant leurs entrées en parallèle et leurs sorties en série. 3. Emetteur selon la revendication 2, caractérisé en ce que les sorties des n amplificateurs de chaque bloc sont, dans la liaison correspondant à leur mise en série, à des distances les unes des autres sensiblement égales au quart de la longueur de cette liaison. 4. Emetteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que chaque amplificateur comporte une alimentation (V, Q, Ca) commutable sous la commande du circuit de commande de niveau (3). 5. Emetteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que chaque bloc comporte n amplificateurs ponts H qui, pour n supérieur à 1, ont leurs entrées en parallèle et leurs sorties en série.