Brevet FR2699762A1 — publié le 19940624

Procédé de modulation de phase et modulateur numérique mettant en oeuvre ce procédé La présente invention concerne un procédé de modulation de phase à faible débit. Elle vise également un modulateur numérique à faible débit mettant en oeuvre ce procédé. Les techniques d'échantillonnage mises en oeuvre dans les modulateurs numériques équipant notamment des systèmes de télécommunication ont pour effet de produire une répétition des spectres des signaux modulés. Cette répétition ne peut généralement être tolérée et doit être éliminée pour que ne subsiste que la partie utile du spectre. Actuellement, cette répétition est annihilée par filtrage après modulation au moyen d'un filtre passe-bande "agile" en fréquence ou par sur-échantillonnage du signal. Mais un tel filtre passe-bande est de réalisation difficile et la technique de sur-échantillonnage présente des limites dues au temps de calcul. Le but de l'invention est de remédier à ces inconvénients en proposant un procédé de modulation de phase à faible débit qui ne présente pas de répétition du spectre modulé. Suivant l'invention, le procédé de modulation numérique à faible débit, pour moduler des données d'entrée et produire un signal de sortie modulé en fréquence intermédiaire, est caractérisé en ce qu'il comprend une étape initiale de filtrage des données d'entrée, suivie d'une étape de traitement des données filtrées comportant une étape de traitement de la composante numérique de phase incluant une étape de modulation de la phase des données traitées. Ainsi, avec le procédé selon l'invention, le signal est filtré avant d'être appliqué à l'oscillateur à commande numérique et est traité dans le domaine phase. On réalise alors une pseudo-modulation de fréquence de l'oscillateur à commande numérique afin d'obtenir une fonction de lissage et donc de supprimer la répétition du spectre. Un léger suréchantillonnage est alors suffisant. On obtient ainsi une modulation directe en fréquence intermédiaire avec agilité en fréquence pour une grande variété de formes d'ondes. Selon une version avantageuse du procédé selon l'invention, l'étape initiale de filtrage comprend une première étape de fractionnement des données d'entrée, une seconde étape pour coder et sur-échantillonner les données issues de cette étape de fractionnement et une étape pour filtrer le module et la phase respectifs des données d'entrée fractionnées, codées et sur-échantillonnées. Selon un autre aspect de l'invention, le modulateur numérique à faible débit, pour moduler des données d'entrée et produire un signal de sortie en fréquence intermédiaire, mettant en oeuvre le procédé selon l'invention, comprenant des moyens de modulation à commande numérique, est caractérisé en ce qu'il comprend en outre des moyens pour fractionner les données d'entrée, des moyens pour coder et sur-échantillonner les données fractionnées en coordonnées cartésiennes, des moyens pour filtrer les données fractionnées et codées, des moyens de conversion cartésien/polaire pour convertir en coordonnées polaires les données filtrées et délivrer des composantes numériques respectivement de module et de phase, et des moyens pour traiter les composantes numériques incluant, au titre des moyens de modulation, des moyens de modulation de phase pour moduler la composante numérique de phase, les moyens de filtrage de données étant situés en amont des moyens de modulation de phase. D'autres particularités et avantages de l'invention apparaîtront dans la description ci-après. Dans les dessins annexés donnés à titre d'exemples non limitatifs - la figure 1 est une vue synoptique d'un modulateur selon l'invention - la figure 2 est une représentation temporelle théorique d'une fonction de lissage mise en oeuvre dans un modulateur selon l'invention ~ - la figure 3 représente le gain théorique du filtre de lissage ; - la figure 4 est une représentation temporelle expérimentale d'une fonction de lissage réalisée selon l'invention - la figure 5 représente le gain du filtre de lissage relevé expérimentalement ; - la figure 6 représente un spectre d'un signal de sortie sans lissage de la phase ;; - la figure 7 représente un spectre d'un signal de sortie avec application du procédé selon l'invention - la figure 8 illustre une variante de réalisation d'un modulateur numérique selon l'invention - la figure 9 est un ensemble de chronogrammes S1-S4 de signaux représentatifs du modulateur de la figure 8 ; - la figure 10 représente le spectre du signal de sortie d'un convertisseur numérique/analogique mis en oeuvre dans le modulateur de la figure 8 - la figure 11 représente le spectre du signal de sortie du modulateur de la figure 8. On va maintenant décrire une forme particulière de réalisation d'un modulateur numérique à faible débit selon l'invention en référence à la figure 1. Le modulateur numérique 1 à faible débit comprend un premier étage 2 de fractionnement de données d'entrées E. Les données fractionnées sont ensuite codées ou adressées dans un module de codage 3 qui génère deux signaux légèrement sur-échantillonnés appliqués respectivement, via des filtres 4, 5, notamment des filtres de type Nyquist, aux deux entrées d'un convertisseur 6 de coordonnées cartésiennes en coordonnées polaires. Ce convertisseur génère deux composantes numériques respectivement de module r et de phase 8. La composante de module r est appliquée à un module décimateur 8 par un entier prédéterminé N. La sortie du module 8 est reliée à l'entrée d'un premier convertisseur numérique/analogique 9 qui génère un signal dont le module est filtré par un premier filtre passe-bas 10.La composante numérique de phase O, incluant la commande de fréquence et la modulation, est appliquée à un interpolateur de phase 7 présentant une entrée CF de commande en fréquence. La sortie de l'interpolateur 7 est appliquée à l'entrée d'un oscillateur à commande numérique 11 piloté par une fréquence d'oscillation Fe. Cet oscillateur 11 génère un signal numérique modulé qui est appliqué en entrée d'un second convertisseur numérique/analogique 12 recevant comme référence de tension un signal de référence de module REF issu du premier filtre passe-bas 10. Le signal analogique modulé issu du second convertisseur numérique/analogique 12 est appliqué à un second filtre passe-bas 13 qui délivre un signal de sortie S en fréquence intermédiaire modulé et lissé. Selon une fonction théorique de lissage obtenue par mise en oeuvre du procédé selon l'invention et illustrée en figure 2, entre chaque valeur discrète de phase 8(i), O(i+1), O(i+2) obtenues respectivement à des instants i.T, (i+1).T, (i+2).T, une interpolation en marches d'escalier est effectuée avec un incrément #O(i)/n, avec: - n: nombre d'échantillons par période T, - #O(i)=O(i+1)-O(i) - Te: période d'échantillonnage du signal (T=n.Te). A cette fonction théorique de lissage, correspond une fonction de transfert théorique, représentée en figure 3 dans un espace Gain (dB)/Fréquence réduite (f/F), qui présente une lobe 30 symétrique de gain unité à fréquence nulle, avec F fréquence d'échantillonnage du signal modulant. La fonction de lissage effectivement réalisée par mise en oeuvre du procédé selon l'invention, représentée en figure 4, diffère de la fonction théorique par le fait que la fonction d'interpolation en marches d'escalier est sensiblement décalée par rapport aux valeurs discrètes 8(i), O(i+1), O(i+2), les décalages en ces points correspondant à des restes de calcul R(i-1), R(i) et chaque incrément d'interpolation ayant pour valeur (8(i)+R(i-1))/n', n' étant une approximation de la grandeur n précitée relative à la fonction théorique de lissage. n' est préférentiellement choisi tel que n' = 2.P La fonction de transfert effectivement obtenue par mise en oeuvre du procédé selon l'invention, représentée en figure 5, présente une allure sensiblement voisine de celle de la fonction de transfert théorique, avec cependant un plateau légèrement concave pour une gamme de fréquence réduite de 0 à 4. La fonction de lissage effectivement réalisée avec le procédé selon l'invention permet de supprimer toute répétition du spectre modulé. L'effet de lissage de la phase de modulation obtenu avec le procédé selon l'invention est particulièrement mis en évidence en référence aux figures 6 et 7 qui représentent respectivement le spectre d'un signal de sortie d'un modulateur sans lissage de phase et le spectre d'un signal de sortie d'un modulateur mettant en oeuvre le procédé selon l'invention. On considère dans la suite les notations suivantes: fs: fréquence de débit symbolique du signal numérique modulant, k: facteur de sur-échantillonnage du signal modulant avant lissage, fo: fréquence de la porteuse délivrée par ltoscillateur à commande numérique, fe: fréquence d'horloge de l'oscillateur à commande numérique et fréquence d'échantillonnage du signal à fréquence intermédiaire. Le spectre S(f) sans lissage de la phase présente une raie principale à la fréquence fo, des raies secondaires aux fréquences fo-2kfs, fo-kfs, fo+kfs, fo+2kfs. On observe une décroissance D en 1/f due à la fonction de blocage de l'oscillateur à commande numérique. Par ailleurs, les raies secondaires aux fréquences fo+kf s et fo+2kfs correspondent à des spectres de modulation parasites qui doivent être affaiblis d'au moins 50 dBc. En outre, le spectre S(f) présente une enveloppe d'atténuation A en sin(x)/x due à l'effet de blocage du convertisseur numérique / analogique. Avec le procédé selon l'invention, on obtient un lissage de la phase de modulation et le spectre SL(f) du signal de sortie présente toujours une raie principale à la fréquence fo de porteuse mais présente en revanche une forte atténuation des raies parasites PL, avec notamment une décroissance en 1/f2 fournie par la fonction de lissage et les raies spectrales parasites en fo+kfs sont affaiblies sans sur-échantillonner davantage le signal de modulation en représentation cartésienne. On peut aussi envisager un autre mode de réalisation du modulateur numérique selon l'invention permettant d'étendre la plage de fonctionnement du modulateur numérique à des fréquences porteuses plus élevées, en augmentant la fréquence de l'horloge d'échantillonnage du convertisseur numérique/analogique, en référence aux figures 8 à 11. Dans cette variante de réalisation, en référence au schéma-bloc 80 de la figure 8 et à titre d'exemple non limitatif, les données numériques Dn sont échantillonnées à une fréquence d'horloge H (signal d'entrée S2) généré par un compteur numérique 81 par M recevant en entrée un signal d'entrée S1 issu d'une horloge d'échantillonnage de conversion He qui délivre, via un inverseur logique 82, un signal S3 d'échantillonnage à un convertisseur numériçue/analogique 84. Le signal Ss de sortie du convertisseur numérique/analogique 84 est appliqué en entrée d'un filtre passe-bande 85. En référence à la figure 9, le convertisseur numérique/analogique 84 prend en compte un signal d'entrée S4 comportant une suite périodique de séquences élémentaires comprenant deux phases - une première phase à signal nul tant que le signal S2 (de fréquence M fois moins élevée que le signal d'entrée S issu du compteur 81 est à un niveau logique haut, - une seconde phase contenant une donnée Di présente en entrée du module 83 lors du premier front positif du signal d'échantillonnage de conversion S3, survenant lors du passage à l'état bas du signal d'échantillonnage S2. On obtient ainsi une diminution de la largeur de l'impulsion d'échantillonnage ayant pour effet que l'affaiblissement en sin(x)/x, lié à la forme rectangulaire de l'impulsion, n'est sensible qu'à des fréquences élevées. Il devient alors possible de sélectionner une porteuse dont la fréquence est supérieure à la fréquence d'échantillonnage, et avec un rapport signal/bruit de quantification conservé, grâce à un filtrage passe-bande 85. Le spectre fréquentiel Ss(f) du signal de sortie du convertisseur 84 présente ainsi un ensemble de raies périodiques autour des fréquences d'horloge d'échantillonnage fH, 2fH, 3fH et une enveloppe d'atténuation 100 s'annulant à la fréquence d'échantillonnage de conversion FHe. Après un filtrage passe-bande avec une fonction de transfert appropriée T, le modulateur numérique peut délivrer un signal de sortie présentant un spectre de fréquence S6(f) ne présentant aucune répétition. Le mode de réalisation qui vient d'être décrit permet ainsi de moduler un signal en fréquence intermédiaire au moyen d'une logique rapide complémentaire (compteur, inverseur). Le modulateur numérique à faible débit qui vient d'être décrit peut avantageusement être réalisé sous la forme d'un circuit intégré selon des techniques de conception et de fabrication désormais classiques. Bien sûr, l'invention n'est pas limitée aux exemples qui viennent d'être décrits et de nombreux aménagements peuvent être apportés à ces exemples sans sortir du cadre de l'invention. Ainsi, les différents modules constituant un modulateur numérique selon l'invention peuvent être conçus de multiples façons en fonction des technologies disponibles, des fréquences mises en jeu et des conditions de fonctionnement et d'environnement de ce modulateur. REVENDICATIONS 1. Procédé de modulation numérique à faible débit, pour moduler des données d'entrée (E) et produire un signal de sortie (S) modulé en fréquence intermédiaire, caractérisé en ce qu'il comprend une étape initiale de filtrage desdites données d'entrée (E), suivie d'une étape de traitement desdites données filtrées comportant une étape de traitement de la composante numérique de phase (0) incluant une étape de modulation de la phase desdites données traitées. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'étape initiale de filtrage comprend une première étape de fractionnement des données d'entrée (E), une seconde étape pour coder et sur-échantillonner les données issues de ladite étape de fractionnement et une étape pour filtrer le module (r) et la phase (8) respectifs des données d'entrée fractionnées, codées et sur-échantillonnées. 3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'étape de traitement comprend en outre une étape de conversion de coordonnées cartésiennes en coordonnées polaires appliquée aux données filtrées pour générer des composantes numériques respectives de phase (8) et de module (r). 4. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que l'étape de traitement comprend en outre une étape de traitement de la composante numérique de module (r) comportant une étape de conversion numérique/analogique suivie d'une étape de filtrage passe-bas pour générer un signal de référence (REF). 5. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que l'étape de traitement de la composante numérique de module (r) comprend en outre une étape de division de ladite composante numérique de module (r) par un nombre prédéterminé (N), effectuée avant l'étape de conversion numérique/analogique. 6. Procédé selon les revend cations 4 ou 5, caractérisé en ce que l'étape de traitement de la composante numérique de phase (#) comprend une étape d'interpolation de phase, et une étape d'oscillation à commande numérique suivant une fréquence de modulation prédéterminée (Fe), pour générer un signal numérique modulé. 7. Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que l'étape de traitement comprend en outre une étape de conversion numérique/analogique pour convertir ledit signal numérique modulé en un signal analogique modulé avec, pour référence de conversion, le signal de référence (REF) généré à l'issue de l'étape de traitement de la composante de module (r), suivie d'une étape de filtrage passe-bas pour générer ledit signal de sortie lissé (S). 8. Modulateur numérique à faible débit (1), pour moduler des données d'entrée (E) et produire un signal de sortie (S) en fréquence intermédiaire, mettant en oeuvre la procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, comprenant des moyens de modulation à commande numérique (11), caractérisé en ce qu'il comprend en outre des moyens (2) pour fractionner lesdites données d'entrée (E), des moyens (3) pour coder et sur-échantillonner lesdites données fractionnées en coordonnées cartésiennes, des moyens (4, 5) pour filtrer lesdites données fractionnées, codées et suréchantillonnées, des moyens de conversion cartésien/polaire (6) pour convertir en coordonnées polaires (r, @) lesdites données filtrées et délivrer des composantes numériques respectivement de module (r) et de phase(8), et des moyens (7-13) pour traiter lesdites composantes numériques incluant, au titre desdits moyens de modulation, des moyens de modulation de phase (11) pour moduler ladite composante numérique de phase (8), lesdits moyens de filtrage de données (4, 5) étant situés en amont desdits moyens de modulation de phase (11). 9. Modulateur (1) selon la revendication 8, caractérisé en ce que les moyens de traitement des composantes numériques (7-13) comprennent en outre des moyens (8-10) pour traiter la composante numérique de module (r) desdites données converties et générer en retour un signal de référence de module (REF), comportant des moyens de conversion numérique / analogique (9) pour convertir la composante numérique de module (r) et des moyens de filtrage passe-bas (10). 10. Modulateur (1) selon la revendication 9, caractérisé en ce que les moyens de traitement des composantes numériques (7-13) comprennent en outre des moyens (7, 11) pour traiter la composante numérique de phase (8) comportant des moyens d'interpolation de phase (7) et, au titre desdits moyens de modulation à commande numérique, des moyens oscillateurs (11) à une fréquence prédéterminée (Fe) pour générer un signal numérique modulé. 11. Modulateur (1) selon la revendication 10, caractérisé en ce qu'il comprend en outre des moyens de conversion numérique/analogique (12) pour convertir ledit signal numérique modulé en un signal analogique modulé selon avec ,pour référence de conversion, ledit signal de référence de module (REF), et des moyens de filtrage (13), pour délivrer un signal de sortie (S) en fréquence intermédiaire. 12. Modulateur selon la revendication 11, caractérisé en ce que lesdits moyens de conversion numérique/analogique (84) sont commandés par un signal d'horloge (S3) issu d'une horloge d'échantillonnage de conversion (He), et en ce que les moyens oscillateurs (83) sont commandés par un signal d'horloge (S2) issu de moyens compteurs par un nombre prédéterminé (M) dont l'entrée de comptage est reliée à ladite horloge d'échantillonnage (He), lesdites moyens de filtrage comprenant un filtre passe-bande (85). 13. Modulateur (1) selon l'une quelconque des revendications 8 à 12, caractérisé en ce qu'il comprend, au titre desdits moyens de filtrage de données, deux modules de filtrage (4, 5), notamment de type "Nyquist", placés chacun sur une entrée desdits moyens de conversion cartésien/polaire (6) et dont les entrées respectives sont reliées aux sorties respectives desdits moyens de codage (3).