Brevet FR2711868A1 — publié le 19950505

DISPOSITIF DE COMMANDE AUTOMATIQUE EN FRÉQUENCE Cette invention concerne la commande automatique en fréquence (AFC) et, plus spécifiquement, le réglage de la fréquence d'un oscillateur sur la base de données reçues de telle façon que la fréquence des oscillations soit synchronisée sur une référence externe. Dans le standard GSM (Système Global pour Communications de Mobiles) de la téléphonie cellulaire numérique, un grand nombre de postes mobiles peuvent10 communiquer avec un réseau de postes de base. Les postes mobiles décodent les données du réseau de postes de base sous forme numérique et, parmi plusieurs autres fonctions, utilisent ces données pour régler, de façon périodique, la fréquence principale de l'oscillateur de référence du poste15 mobile. De façon classique, ce réglage de la fréquence principale d'oscillateur de référence est effectué à l'aide d'un convertisseur D/A pour modifier les données numériques de correction de fréquence en une forme analogique puis en20 appliquant le signal analogique résultant à une diode de "varactor" pour chaîner un oscillateur de référence à cristal. Ce procédé présente de nombreux inconvénients. Tout d'abord, les données de correction de fréquence sont déjà sous forme numérique dans le système GSM. On cherche à utiliser les données sous forme numérique et ainsi, à éliminer le convertisseur D/A. Ensuite, l'utilisation d'une diode de "varactor" pour chaîner un cristal entraîne des caractéristiques d'accord non linéaires. Cela nécessite un algorithme complexe de phase pour linéariser les caractéristiques. Enfin, les limitations pratiques de la résolution du convertisseur D/A et les tolérances de composant de l'oscillateur à cristal nécessitent un étagement plutôt grand de la caractéristique d'accord en fréquence. Dans le 5 système GSM, cela entraîne un étagement d'environ 50 Hz. Comme la précision en fréquence d'un GSM doit être inférieure à 100 Hz, cela peut être un problème important. Un système numérique de commande automatique de fréquence peut être réalisé à l'aide d'une synthèse par fractions N. Un tel système est illustré dans le Brevet U.S. N 5 111 162 intitulé "Synthétiseur Digital de Fréquence à AFC et Modulation Appliquées à un Diviseur de Fréquence" attribué à Hietala et ass. Dans ce brevet, on utilise un diviseur secondaire à partir de la sortie15 principale d'oscillateur pour dériver une référence à basse fréquence pour des synthétiseurs de décalage et un circuit logique. Ce diviseur secondaire fonctionne à la fréquence de sortie et tire ainsi un courant excessif. Par conséquent, il serait avantageux de préconiser un système numérique de commande automatique de fréquence permettant une utilisation des données numériques de commande automatique de fréquence sans conversion en une forme analogique tout en présentant une caractéristique linéaire d'accord avec un étagement minimum en fréquence25 très fin et sans tirer de courant excessif. La Figure 1 est une illustration, sous forme de synoptique, d'un émetteur/récepteur de radiotéléphone selon la présente invention; la Figure 2 est une illustration, sous forme de synoptique, d'un émetteur/récepteur de radiotéléphone selon la présente invention; et la Figure 3 est une illustration, sous forme d'un synoptique, d'une section de synthétiseur d'un émetteur/récepteur de radiotéléphone pouvant effectuer la commande digitale automatique de fréquence selon la présente invention. Le mode de mise en oeuvre préféré de la présente invention comprend un système numérique de commande automatique de fréquence mis en oeuvre dans un radiotéléphone. Le radiotéléphone comprend un synthétiseur de fréquence dans lequel une sortie variable d'oscillateur est fournie à un diviseur digital. Le rapport de division du diviseur digital est modifié dans le temps par un système de division par fractions N à plusieurs accumulateurs de telle façon que le rapport effectif de division puisse être modifié selon des fractions non entières. Le rapport de division est alors programmé pour15 obtenir la fréquence désirée de canal, la forme d'onde désirée de modulation et tout décalage automatique de correction en fréquence. La sortie du diviseur digital constitue une entrée d'un circuit de comparaison de phase. L'autre entrée du circuit de comparaison de phase est20 fournie par un oscillateur de référence. La sortie du circuit de comparaison de phase est filtrée pour enlever des composantes de bruit externe puis est fournie à l'entrée de commande de l'oscillateur variable. L'entrée de commande est telle que la fréquence de sortie de25 l'oscillateur variable se réglera elle-même jusqu'à être égale à la fréquence de l'oscillateur de référence multipliée par le rapport de division numérique. Cela crée un connecteur d'entrée de correction numérique automatique en fréquence avec une résolution très fine. De plus,30 l'oscillateur de référence n'a pas besoin, dans ce cas, d'être chaîné par une diode de "varactor"; alors, l'oscillateur de référence est un oscillateur à cristal à fonctionnement libre avec une précision se rapprochant seulement de la fréquence de référence recherchée. Dans le système GSM, le signal d'horloge utilisé pour piloter les sections de logique de la radio doit être synchronisé avec le signal de sortie de fréquence radio. Par conséquent, l'oscillateur à cristal à fonctionnement libre ne peut être directement utilisé comme horloge pour les sections de logique de la radio. Une horloge précise est fournie aux sections de logique de la radio et aux entrées de référence de tout synthétiseur de décalage de la radio en utilisant un second système de division par fractions N à plusieurs accumulateurs pour diviser la fréquence imprécise d'oscillateur de référence vers le bas vers une fréquence précise fixée. Ce second système de division par fractions N est programmé sur la base de la programmation de commande automatique en fréquence du15 premier système de division par fractions N. Cette plus basse fréquence peut être alors multipliée dans une boucle à blocage de phase pour fournir une référence précise à la fréquence de référence d'origine désirée si nécessaire. La Figure 1 est une illustration sous forme de synoptique d'un radiotéléphone 101. Le radiotéléphone 101 peut être, sans y être limité, un radiotéléphone cellulaire utilisant le standard de fonctionnement GSM. Sur la Figure 2, le radiotéléphone 101 est illustré composé d'un émetteur 102, d'un récepteur 103, d'un système de commande 104, d'une interface d'utilisateur 105 et d'un synthétiseur 107. Le synthétiseur 107 fournit au récepteur 103 et à l'émetteur 102 des signaux accordés à la fréquence correcte pour permettre la réception et l'émission de données à partir de l'interface d'utilisateur 105. De plus, le30 synthétiseur 107 fournit à l'interface d'utilisateur 105 et à la logique de commande 104 le signal d'horloge nécessaire pour un fonctionnement correct des circuits de logique contenus dans ces blocs. L'interface d'utilisateur 105 comprend, de façon usuelle, un microphone, un haut-parleur,35 un affichage et un clavier. Une des fonctions de la logique de commande 104 est de dériver un signal numérique des données reçues par le récepteur 103 pour régler la fréquence du synthétiseur 107. Ce signal numérique est connu comme la commande automatique en fréquence. En référence à la Figure 3, le signal de commande automatique de fréquence est appliqué au connecteur de données 114 sous forme de série connue comme la forme d'interface de programmation en série (SPI). Les données en10 série sont chargées dans la bascule 117 dans laquelle elles sont converties sous forme parallèle puis sont appliquées à l'additionneur 118. Deux autres entrées sont appliquées à l'additionneur 118. La partie non entière de la division d'établissement de la fréquence de canal est entrée dans le15 connecteur de données 113 sous forme SPI à partir de la logique de commande 104. Ces données sont converties sous forme parallèle par la bascule 116 puis sont entrées dans l'additionneur 118. La modulation est entrée par le connecteur de données en série 115. Une mémoire morte de20 consultation (ROM) (119) extrait des configurations de la fréquence en fonction du temps selon le train de données en série reçu au connecteur de données en série 115. La sortie de la mémoire morte de consultation (ROM) (119) est alors entrée dans l'additionneur 118. La sortie de l'additionneur 118 est alors utilisée comme entrée de données de l'accumulateur 120. Un montage en cascade d'accumulateurs 121, 122 et 123 avec la logique de recombinaison 124 forme une séquence variable dans le temps qui est ajoutée à la partie sans fraction de la30 division dans l'additionneur 126. La séquence résultante est alors utilisée pour commander le diviseur 109. La séquence de commande du diviseur entraîne des rapports effectifs de division permettant au synthétiseur d'effectuer de fins échelons de fréquence sans contenu35 parasite excessif dans la sortie de synthétiseur 138. La séquence de commande de diviseur contient toute information de réglage de canal, de modulation et de commande automatique en fréquence (pour une explication détaillée de ce résultat, voir le Brevet U.S. N 5 093 632 intitulé "Synthèse par Fractions N à Accumulateur Basculé à Correction d'Erreur Résiduelle" attribué à Hietala et ass. ou le Brevet U.S. N 5 166 642 intitulé "Synthèse par Fractions N à Plusieurs Accumulateurs et Recombinaison en Série" attribué à Hietala). La sortie du diviseur 109 est utilisée pour constituer l'horloge interne du synthétiseur par fractions N 140 constitué des accumulateurs 120, 121, 122 et 123, de la logique de recombinaison 124 et de la mémoire morte de consultation (ROM) 119. De plus, la sortie du diviseur 10915 est entrée dans le détecteur de phase 110 o sa phase est comparée à celle de l'oscillateur à cristal à fonctionnement libre 127. La sortie du détecteur de phase 110 active une pompe de charge 111 qui, à son tour, active le filtre de boucle 112. Le filtre de boucle 112 développe une tension pour commander le connecteur sensible à la tension de l'oscillateur variable 108. Finalement, la sortie de l'oscillateur variable 108 est utilisée comme sortie de synthétiseur 138 et est fournie au récepteur 103 et à l'émetteur 102 ainsi qu'à l'entrée du diviseur 10925 pour achever la boucle à blocage de phase. Dans le mode de mise en oeuvre préféré, la commande automatique de fréquence est fournie au connecteur de données 114 au lieu d'être directement fournie à l'oscillateur à cristal à fonctionnement libre 127. Alors,30 la précision de l'oscillateur à cristal à fonctionnement libre 127 n'est maintenue que par la stabilité du cristal 128. Toute imprécision du cristal 128 à cause de la température, des tolérances de fabrication ou de la durée de vie, est compensée par le réglage des données de35 commande automatique de fréquence au connecteur de données 114 de façon à maintenir la fréquence correcte à la sortie de synthétiseur 138. De façon à maintenir une horloge 130 synchronisée avec la sortie de synthétiseur 138 pour la logique de commande 104 et l'interface d'utilisateur 105 du radiotélephone 101, on forme un second système de division par fractions N à plusieurs accumulateurs 139 à l'aide des accumulateurs 133, 134, 135 et 136, d'une logique de recombinaison 132, d'un additionneur 131 et d'un diviseur10 programmable 129. Les données de programmation pour ce système de division par fractions N à plusieurs accumulateurs 139 sont obtenues à partir des données SPI au connecteur de données 114 et sont converties sous forme parallèle par une bascule 137. Le second système de division par fractions N à plusieurs accumulateurs 139 est programmé sur la base de la programmation du premier synthétiseur par fractions N 140. Cette base crée une fréquence d'horloge précise 130 car le premier synthétiseur par fractions N 140 détermine le20 décalage de commande automatique en fréquence nécessaire pour régler le synthétiseur par fractions N 140 principal sur la fréquence de sortie correcte 138; alors, la fréquence réelle de l'oscillateur à cristal à fonctionnement libre 127 est connue de façon implicite. Par exemple, considérons que la fréquence de sortie principale de VCO 138 est fvco et que la division totale de boucle principale du diviseur 109 est Nt. Alors, la fréquence du cristal à fonctionnement libre 128 (fM) peut être déterminée par: fN = fvco/Nt A présent, ajoutons un second diviseur 129 à la sortie de l'oscillateur à cristal à fonctionnement libre 127 avec un rapport de division de N2. Alors, la basse fréquence de référence 130 peut être exprimée par: fR = fM/N2 Combinons ces deux équations pour obtenir la basse fréquence de référence 130 seulement en fonction de la sortie principale de VCO 138: fR = fvco / (Nt*N2) Pour le signal GSM, la procédure de mise en oeuvre est la suivante: 1) Bloquons le radiotéléphone 101 sur un quelconque ARFCN (Présent Numéro de Canal de Fréquence Radio). Cela entraine: fvco = 890 + 0,2*(ARFCN) MHz; 2) Ensuite, considérons, (par exemple), fR = 200 kHz; puis utilisons l'équation développée ci- dessus pour fR: 0,2 = {890 + 0,2 (ARFCN)} / (Nt*N2) 3) Transformons pour obtenir N2: N2 = 4450/Nt + ARFCN/Nt Cette programmation initiale ne variera pas si le ARFCN est modifié car Nt variera avec le ARFCN pour maintenir N2 constant. Le seul cas o N2 devra être modifié dans le cas o Nt est modifié par l'algorithme de commande automatique de fréquence. Si l'algorithme de commande automatique de fréquence nécessite un changement, alors N225 pourrait être recalculé à l'aide de la formule donnée cidessus ou d'un développement binomial de la formule dans 3), ce qui entraîne le résultat suivant: N2new = N2old (1 - ANt/Nt) Dans l'approximation donnée ci-dessus, Nt est la valeur utilisée pour trouver N2old et ANt = dividende AFC/diviseur. Comme ANt Une seconde boucle à blocage de phase 141 peut être ajoutée à la sortie d'horloge de référence 130 de la Figure 3. Cette seconde boucle à blocage de phase 141 peut être utilisée comme multiplicateur pour augmenter la sortie d'horloge de référence 130. REVENDICATIONS 1. Dispositif de commande automatique de fréquence caractérisé par: - un oscillateur commandé en tension (VCO) possédant une première entrée de commande et produisant un premier signal variable en fréquence; - un premier diviseur par fractions N (140) pour générer une première valeur programmable; - un premier diviseur programmable (109) pour diviser ledit premier signal variable en fréquence par ladite première valeur programmable pour produire un second signal divisé; - un premier oscillateur de référence (127) générant un troisième signal de fréquence fixée, pratiquement égal en fréquence audit second signal divisé; - un détecteur de phase (110) pour comparer la phase dudit troisième signal de fréquence fixée avec la phase dudit second signal divisé, produisant un quatrième signal d'erreur de sortie possédant une tension représentant la20 différence de phase entre lesdits second et troisième signaux, ledit quatrième signal d'erreur de sortie étant couplé à ladite première entrée de commande dudit VCO; et - un second diviseur par fractions N (139) possédant une seconde valeur programmable et divisant ledit troisième signal de fréquence fixée, produisant un cinquième signal de fréquence fixée. 2. Dispositif de commande automatique en fréquence selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit cinquième signal de fréquence fixée est couplé à une30 entrée de référence d'une seconde PLL (141). 1l 3. Dispositif de commande automatique en fréquence selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit cinquième signal de fréquence fixée est couplé au circuit logique comprenant un microprocesseur. 4. Dispositif de commande automatique en fréquence selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit premier oscillateur de référence (127) est un oscillateur à cristal à fonctionnement libre. 5. Dispositif de commande automatique en fréquence selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite seconde valeur programmable dépend de ladite première valeur programmable. 6. Radiotéléphone (101) caractérisé par: - un émetteur de fréquence radio (R.F.) (102) pour émettre des premières données à une première fréquence; - un récepteur R.F. (103) pour recevoir des secondes données à une seconde fréquence, les secondes données comprenant une information de commande automatique en fréquence; - une logique de commande (104) pour la commande du radiotéléphone, une première partie de la logique de commande fonctionnant à une cinquième fréquence fixée; et - un synthétiseur (107) comprenant: - un oscillateur commandé en tension (VCO) (108) possédant une première entrée de commande et produisant un premier signal de fréquence variable, le premier signal de fréquence variable fournissant la première fréquence à l'émetteur R. F. et la seconde fréquence au récepteur R.F.; un premier diviseur par fractions N (140) pour générer une première valeur programmable dépendant de l'information de commande automatique de fréquence; - un diviseur (109) pour diviser ledit premier signal de fréquence variable par ladite première valeur programmable pour produire un second signal divisé; - un premier oscillateur de référence (127) générant un troisième signal de fréquence fixée, pratiquement égal en fréquence audit second signal divisé; - un détecteur de phase (110) pour comparer une phase dudit troisième signal de fréquence fixée avec une phase dudit second signal divisé, produisant un quatrième signal d'erreur de sortie possédant une tension représentant la différence de phase entre lesdits second et15 troisième signaux, ledit quatrième signal d'erreur de sortie étant couplé à ladite première entrée de commande dudit VCO; - un second diviseur par fractions N (139) pour générer une seconde valeur programmable; et - un second diviseur (129) pour diviser ledit troisième signal de fréquence fixée par ladite seconde valeur programmable, produisant ledit cinquième signal de fréquence fixée. 7. Radiotéléphone (101) selon la revendication 6, caractérisé en ce que ledit cinquième signal de fréquence fixée est couplé à une entrée de référence d'une seconde boucle à blocage de phase (PLL) (141), la seconde PLL fournissant une sixième fréquence pour le fonctionnement d'une seconde partie de ladite logique de30 commande. 8. Radiotéléphone (101) selon la revendication 6, caractérisé en ce que ledit cinquième signal de fréquence fixée est utilisé pour faire fonctionner une interface d'utilisateur (108). 9. Radiotéléphone (101) selon la revendication 6, caractérisé en ce que ledit premier oscillateur de référence (127) est un oscillateur à cristal à fonctionnement libre. 10. Radiotéléphone (101) selon la revendication 6, caractérisé en ce que ladite seconde valeur programmable dépend de ladite première valeur programmable.