Brevet FR2733102A1 — publié le 19961018

i - DESCRIPTION - L'invention concerne un procédé pour améliorer le comportement de distorsion harmonique de convertisseurs ana- logiques-numériques, dans lequel un signal utile analogique est soumis par addition à l'action d'un signal de bruit avant d'être amené au convertisseur analogique-numérique o l'on explore et numérise alors le signal qui résulte de l'addition du signal utile et du signal de bruit. Si l'on ne prend pas de mesures supplémentaires, le comportement de distorsion harmonique de convertisseurs ana- logiques-numériques diffère nettement de celui auquel on est habitué avec des éléments constitutifs analogiques. La courbe caractéristique d'un convertisseur analogique-numérique peut être parfaitement décrite comme étant une courbe en escalier irrégulière. Les produits de la distorsion harmonique qui prennent naissance sont en première approximation indépen- dants du réglage du convertisseur analogique-numérique quant à leur niveau, de sorte que les distances entre les distor- sions harmoniques diminuent également lorsque le niveau du réglage diminue. Le niveau des diverses courbes de distorsion harmonique est typiquement situé à quelques décibels au-des- sous du niveau de bruit de quantification à large bande. Dans un convertisseur réel à 12 bits, les diverses courbes de dis- torsion harmonique présentent des niveaux inférieurs à -70 décibels pleine échelle ou dBFS, "dBFS" étant une mesure du niveau rapportée au niveau maximum de réglage du convertis- seur analogique-numérique. Dans le cas d'éléments constitu- tifs analogiques comme par exemple des amplificateurs ou des mélangeurs, les distances entre les distorsions harmoniques augmentent au contraire lorsque le niveau de-réglage diminue, de sorte que des distances très élevées peuvent être obtenues entre les distorsions harmoniques lorsque le niveau de régla- ge est suffisamment faible. Afin d'éviter les inconvénients des effets de la quantification dans les convertisseurs analogiques-numéri- ques, il est d'une pratique courante d'utiliser ce que l'on appelle des "signaux d'activation". Ces signaux sont superpo- sés par addition au signal utile, et ils font en sorte que le convertisseur soit toujours réglé sur un peu plus qu'un bit de plus faible poids ou LSB (1 LSB est la hauteur d'un éche- lon de quantification), même dans le cas de signaux utiles faibles. On utilise le plus souvent du bruit blanc comme signal d'activation. Grâce & ce procédé, on peut même exploi- ter encore des signaux utiles qui présentent des amplitudes inférieures à un LSB. Le niveau des signaux d'activation est maintenu aussi faible que possible de façon à ce que la dis- tance entre le bruit de signal et la zone de réglage du con- vertisseur ne soit pas nettement dégradée. Ce procédé courant ne permet pas d'obtenir une amélioration importante du com- portement de distorsion harmonique dans le cas de signaux utiles importants. Si l'on veut améliorer le comportement de distor- sion harmonique dans le cas de signaux utiles importants, il faut aussi donner une valeur importante au niveau du signal d'activation. Ceci entraîne toutefois des inconvénients. On connait un procédé dans lequel on utilise ce point de départ. Comme signal d'activation, on fait appel ici & du bruit blanc qui est engendré par un générateur aléatoire numérique. Un convertisseur numérique-analogique de très haute qualité transforme le signal de bruit numérique en un signal analogi- que. Le signal de bruit analogique est superposé par addition au signal utile. Le niveau du signal de bruit est suffisam- ment élevé pour que la zone de réglage destinée au signal utile soit déjà nettement réduite (la somme du signal d'acti- vation et du signal utile doit être située au-dessous de la limite de réglage du convertisseur analogique-numérique). Le signal d'activation blanc à large bande dégrade tout d'abord très fortement la distance du bruit de signal. Pour éviter cet inconvénient, on retire au moyen d'un soustracteur num6- rique le signal de bruit numérique du signal numérisé qui résulte de l'addition. Pour que cette compensation du bruit réussisse, il faut utiliser un convertisseur numérique-analo- gique d'une très haute qualité. En outre, l'amplificateur additionneur analogique doit aussi fonctionner d'une manière très précise. Ce procédé est au total très coûteux, et il nécessite des composants de très haute qualité. Le but de l'invention est d'améliorer d'une manière aussi simple que possible le comportement de distorsion har- monique de convertisseurs analogiques-numériques. Ce but est atteint grace au fait que le signal de bruit est limité à une bande d'une gamme de fréquences qui O10 est située à l'extérieur de la gamme des fréquences utiles. Le procédé selon l'invention soumet le signal utile analogique à l'action d'un signal de bruit à bande limitée, la gamme de fréquences du signal de bruit étant choisie d'une manière telle que ce dernier soit situé à l'extérieur de la gamme des fréquences utiles. Le signal utile peut être situé à l'extérieur de la gamme des fréquences utiles. Cette derni- ère est la gamme de fréquences dans laquelle on doit observer des composantes spectrales produites par le signal utile. De cette manière, le signal de bruit ne dégrade pas le comporte- ment au bruit du convertisseur analogique-numérique dans la gamme des fréquences utiles. Les composantes du bruit qui sont situées à l'extérieur de la gamme des fréquences utiles sont sans importance pour de nombreuses applications comme par exemple l'analyse spectrale. Si une exploitation à large bande est nécessaire, ces composantes spectrales peuvent être facilement supprimées par un simple filtre numérique, et on ne perd alors que quelques pour-cent de la largeur de bande utile. De cette manière, on peut donner au niveau du signal de bruit une valeur aussi importante que la zone de réglage du convertisseur analogique-numérique le permet, sans que le comportement au bruit du convertisseur analogique-numérique ne soit dégradé dans la gamme des fréquences utiles. Il faut seulement veiller à ce que la somme du signal utile et du signal de bruit soit encore située au-dessous de la limite de réglage du convertisseur analogique-numérique. Des niveaux de réglage trop importants d'une courte durée qui n'intervien- nent qu'assez rarement et qui ne sont pas trop élevés dégra- dent à peine le comportement de distorsion harmonique et le comportement au bruit. C'est en particulier lorsque le signal utile est inférieur au signal de bruit que le comportement de distorsion harmonique du convertisseur analogique-numérique s'améliore très fortement. Si le niveau du signal de bruit est réglable, on peut rendre optimaux le comportement de dis- torsion harmonique et la zone de réglage pour le signal utile en vue de diverses tâches à accomplir. Des essais ont montré que la valeur du procédé qui est proposé ici en ce qui concerne le comportement de distor- sion harmonique est au moins égale à celle du procédé qui a été décrit plus haut et qui est nettement plus coûteux. Le comportement au bruit du procédé qui est proposé ici est net- tement meilleur dans la pratique que le comportement au bruit du procédé connu parce qu'aucune compensation du bruit n'est nécessaire. Afin d'obtenir une grande zone dynamique exempte d'intermodulations pour l'exploitation à des fréquences intermédiaires destinée à des analyseurs de spectres, il est avantageux de superposer par addition un signal de bruit fort au signal utile dans la gamme de fréquences située à la moi- tié de la fréquence d'exploration. La valeur efficace à large bande du signal de bruit est de préférence supérieure à celle du bruit de quantification du convertisseur analogique-numé- rique, et elle est avantageusement supérieure à celle du signal utile. Des essais ont montré que, dans le cas d'une largeur de bande de résolution égale à 1 kHz, une zone dyna- mique exempte d'intermodulations de plus de 80 dB peut être réalisée pour une fréquence intermédiaire égale à 19,2 MHz avec une exploitation numérique complète de la fréquence intermédiaire. La zone dynamique exempte d'intermodulations pour une largeur de bande de résolution égale & 1 Hz peut être située au-dessus de 100 dB. Un autre effet positif de l'invention est que la linéarité du niveau du convertisseur analogique-numérique devient presque idéale. Ceci veut dire que la précision d'une mesure sélective du niveau ne dépend pas du niveau du signal. Le procédé selon l'invention est expliqué dans ce qui suit d'une manière plus détaillée & l'aide d'un schéma par blocs représenté sur le dessin. Ce schéma par blocs montre un convertisseur analo- gique-numérique ADC auquel est amené du côté de l'entrée un signal qui résulte de l'addition d'un signal utile analogique AS et d'un signal de bruit RS & bande limitée. Le signal de bruit est engendré par un générateur de signaux de bruit RSG et par un filtre passe-bande BP monté en aval. Le niveau du signal de bruit peut être réglé au moyen d'un amplificateur réglable V. Le signal numérisé DS est fourni à la sortie du convertisseur analogique-numérique. Le signal de bruit RS est limité & une gamme de fréquences qui est située & l'extérieur de la gamme des fré- quences utiles. Le niveau du signal de bruit RS est de pré- férence supérieur au niveau du signal utile AS, mais il faut veiller ici & ce que le niveau du signal qui résulte de l'ad- dition du signal utile AS et du signal de bruit RS soit enco- re situé au-dessous de la limite de réglage du convertisseur analogique-numérique ADC. Le convertisseur analogique-numérique ADC peut être un convertisseur & 12 bits dont la fréquence d'exploration peut être par exemple égale à 25,6 MHz. Dans le cas d'une fréquence d'exploration choisie de cette manière, la fréquen- ce moyenne du signal de bruit peut être égale & 12,8 MHz, la bande de fréquences du signal de bruit RS pouvant être déli- mitée d'une manière telle qu'au-dessous de 10 MHz et au-des- sus de 15,6 MHz, le niveau du signal de bruit soit situé au moins à 12 dB au-dessous du bruit du convertisseur. - REVENDICATIONS - 1. Procédé pour améliorer le comportement de distor- sion harmonique de convertisseurs analogiques-numériques, dans lequel un signal utile analogique est soumis par addi- tion à l'action d'un signal de bruit avant d'être amené au convertisseur analogique-numérique o l'on explore et numéri- se alors le signal qui résulte de l'addition du signal utile et du signal de bruit, caractérisé par le fait que le signal de bruit (RS) est limité à une bande d'une gamme de fréquen- ces qui est située à l'extérieur de la gamme des fréquences utiles. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait que la valeur efficace à large bande du signal de bruit (RS) est nettement supérieure à celle du bruit de quan- tification du convertisseur analogique-numérique. 3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait que la valeur efficace à large bande du signal de bruit (RS) est supérieure à celle du signal utile (AS). 4. Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait que le signal de bruit à bande limitée (RS) est situé dans une gamme de fréquences qui est située à peu près dans la région de la moitié de la fréquence d'exploration du con- vertisseur analogique-numérique (ADC). 5. Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait que le signal de bruit (RS) présente un niveau aussi élevé que possible dont la valeur maximale est limitée vers le haut d'une manière telle que le niveau du signal qui résulte de l'addition du signal utile (AS) et du signal de bruit (RS) soit encore situé au-dessous de la limite de réglage du convertisseur analogique-numérique (ADC). 6. Procédé selon la revendication 5, caractérisé par le fait que le signal de bruit (RS) peut être modifié au moyen d'un amplificateur réglable (V).