Brevet FR2742282A1 — publié le 19970613

CIRCUIT DEMODULATEUR POUR UN SIGNAL A FREQUENCE MODULEE AUTOUR D'UNE FREQUENCE INTERMEDIAIRE La présente invention concerne un démodulateur pour un signal radio à modulation de fréquence. L'invention s'applique plus particulièrement à la démodulation des signaux radio dont la fréquence a déjà été ramenée autour d'une fréquence intermédiaire fi. On considère un signal d'entrée de fréquence f=fi+Af, l'écart de fréquence Af étant représentatif d'une information transportée par le signal. Pour démoduler un tel signal d'entrée, on utilise généralement un mélangeur qui multiplie ce signal cos(2lft) par une version déphasée cos(2Kft+p(Af)) de ce même signal, le déphasage p(Af) variant linéairement avec l'écart de fréquence Af. Le signal mélangé est alors proportionnel à cos(4rft+p(Af))+cos(p(Af)). Le premier terme est éliminé par un filtre passe-bas. Le signal de sortie de ce filtre passe-bas est donc proportionnel à cosp(Af), de sorte que c'est un signal en bande de base représentatif de la modulation de fréquence Af. Lorsqu'on souhaite réaliser le démodulateur sous la forme d'un circuit intégré, il reste nécessaire d'utiliser un pôle externe pour introduire le déphasage p(Af). Ce pôle externe est constitué par un filtre céramique ou par un élément ajustable par un noyau de ferrite. Les principaux inconvénients de ces démodulateurs connus sont la nécessité d'un composant externe, les ajustements fréquents qu'il requiert, une distorsion non négligeable, et l'utilisation d'une broche externe du circuit intégré. Un but de la présente invention est de proposer un démodulateur entièrement réalisable sous la forme d'un circuit intégré, et qui soit moins affecté par les inconvénients ci-dessus. L'invention propose ainsi un circuit démodulateur pour traiter un signal d'entrée présentant une modulation de fréquence autour d'une fréquence intermédiaire et produire un signal de sortie en bande de base représentatif de ladite modulation, comprenant: des premiers moyens de mélange entre le signal d'entrée et une onde de fréquence prédéterminée pour produire un premier signal présentant ladite modulation de fréquence autour d'une fréquence de transposition égale à la différence entre la fréquence intermédiaire et ladite fréquence prédéterminée; des moyens déphaseurs à capacités commutées auxquels est appliqué le premier signal, pour produire un second signal présentant, par rapport au premier signal, un déphasage variant de façon sensiblement linéaire avec la fréquence autour de la fréquence de transposition; un premier filtre passe-bas auquel est appliqué le second signal pour éliminer des composantes à haute fréquence du second signal; un second filtre passe-bas sensiblement identique au premier filtre passe-bas, auquel est appliqué le premier signal; et des seconds moyens de mélange entre des signaux respectivement produits par les premier et second filtres passe-bas pour délivrer le signal de sortie en bande de base. L'utilisation de filtres à capacités commutées pour produire le déphasage variant linéairement avec l'écart de fréquence présente de nombreux avantages. Ainsi, le filtre déphaseur peut être intégré avec le reste du circuit. En outre, les paramètres du filtre sont bien maîtrisés, de sorte qu'on peut se dispenser des réglages externes nécessaires dans les démodulateurs antérieurs. Le déphaseur à capacités commutées peut être d'ordre supérieur au filtre déphaseur externe utilisé dans les démodulateurs antérieurs (typiquement des résonateurs LC d'ordre 1), de sorte qu'on peut construire un déphaseur présentant une excellente linéarité de phase grâce à une faible ondulation du temps de propagation de groupe dans la bande passante. On utilise de préférence pour les moyens déphaseurs à capacités commutées deux cellules d'ordre 2 à capacités commutées en série, à savoir une cellule de filtrage passe-bas et une cellule de filtrage passe-bande. L'application du déphasage résultant d'un dispositif à capacités commutées, la fréquence centrale du signal adressé à ce dispositif doit être beaucoup plus basse que la fréquence d'échantillonnage du dispositif, laquelle est typiquement de quelques MHz. C'est pourquoi les premiers moyens de mélange sont prévus pour abaisser la fréquence centrale du signal. Le premier filtre passe-bas sert à éliminer du signal déphasé des composantes résiduelles à haute fréquence dues à la fréquence d'échantillonnage dans le dispositif à capacités commutées ou à ses harmoniques. Ce premier filtre passe-bas introduisant également un certain déphasage, le second filtre, de caractéristiques aussi proches que possible, est utilisé pour filtrer le premier signal avant qu'il soit mélangé au signal déphasé et filtré. D'autres particularités et avantages de la présente invention apparaîtront dans la description ci-après d'un exemple de réalisation non limitatif, en référence aux dessins annexés, dans lesquels: - la figure 1 est un schéma d'un circuit démodulateur selon l'invention; - la figure 2 est un schéma d'un multiplieur du circuit de la figure 1; - la figure 3 est un schéma d'un filtre passe-bas du circuit de la figure 1; - les figures 4 et 5 sont des schémas d'un filtre passe-bas et d'un filtre passe-bande à capacités commutées du circuit de la figure 1; et - la figure 6 est un schéma d'un autre multiplieur du circuit de la figure 1. Le démodulateur de la figure 1 comprend des premiers moyens de mélange constitués par un multiplieur 10 associé à un filtre passe-bas 12. Le signal d'entrée du circuit est disponible sous forme de deux signaux de tension différentiels XP,XM=-XP. Outre les signaux de tension XP, XM, le multiplieur 10 reçoit deux autres signaux de tension différentiels QP,QM=-QP représentant une onde de fréquence fol Cette onde est produite par un diviseur de fréquence 14 à partir d'un signal produit à une fréquence de référence par un oscillateur à quartz 16. Dans l'exemple considéré ici, la fréquence inter- médiaire fI est de 450 kHz, et la fréquence de l'onde QP, QM est de 348, 44 kHz. Cette fréquence f0 est obtenue en divisant par 32 la fréquence du quartz 16 qui est de 11,15 MHz. Le filtre passe-bas 12 élimine du signal de sortie XQ du multiplieur 10, les composantes de fréquence voisine de fi+f0, pour ne laisser dans le signal Y0 que les composantes voisines de la fréquence de transposition fT=fi- f0=102,56 kHz. Le multiplieur 10 a par exemple la structure d'une cellule de Gilbert, comme représenté sur la figure 2. Un générateur de courant 20 délivrant un courant constant est connecté entre la masse et les émetteurs de deux transistors npn 22, 24. La base du transistor 22 reçoit le signal de tension XP, tandis que la base du transistor 24 reçoit le signal de tension XM=-XP. Le second étage de la cellule de Gilbert est constitué par quatre transistors NMOS 26, 28, 30, 32. Les sources des transistors NMOS 26, 28 sont reliées au collecteur du transistor npn 22, tandis que les sources des transistors NMOS 30, 32 sont reliées au collecteur du transistor npn 24. Les grilles des transistors NMOS 28, 30 reçoivent le signal de tension QP, tandis que les grilles des transistors NMOS 26, 32 reçoivent le signal de tension QM. Le multiplieur comprend encore un miroir PMOS se composant de deux transistors PMOS 34, 36 ayant leurs sources reliées à une tension positive d'alimentation VDD. Le drain du transistor 34 est relié aux drains des transistors NMOS 26, , tandis que le drain du transistor PMOS 36 est relié aux drains des transistors NMOS 28, 32. Les grilles des transistors PMOS 34, 36 sont également reliés aux drains des transistors NMOS 26, 28. La tension de sortie XQ du mélangeur est disponible sur les drains des transistors NMOS 28, 32 qui sont reliés, par l'intermédiaire d'une résistance 38, à une borne se trouvant à un potentiel de référence MC (par exemple la masse). Le filtre passe-bas 12 est de préférence d'ordre au moins égal à 3. Ce filtre 12 réduit le spectre du signal pour limiter les produits d'intermodulation afin de ne pas perturber le dispositif à capacités commutées. La figure 3 montre un filtre 12 d'ordre 3 composé d'une cellule de Rausch simplifiée 40 et d'un réseau RC passe-bas 42. La cellule 40 comprend un amplificateur opérationnel 44 dont l'entrée positive est reliée au potentiel MC et l'entrée négative est reliée, par l'intermédiaire d'une résistance 46 à l'entrée du filtre recevant le signal de tension XQ. L'entrée du filtre est également reliée au potentiel MC par l'intermédiaire d'un condensateur 48, et à la sortie de l'amplificateur opérationnel 44 par l'intermédiaire d'une résistance 50. Un condensateur d'intégration 52 relie l'entrée négative et la sortie de l'amplificateur opérationnel 44. Le réseau RC 42 comprend une résistance 54 reliant la sortie de l'amplificateur opérationnel 44 à la sortie du filtre 12 o est disponible le signal de tension Y0, et un condensateur 56 connecté entre le potentiel MC et la sortie du filtre. En règle générale, la fréquence intermédiaire fI est comprise entre 440 et 500 kHz. On choisit alors une fréquence de transposition fT comprise entre 200 et 300 kHz. Ce choix de la fréquence de transposition fT qui sera la fréquence centrale des filtres déphaseurs résulte d'un compromis: - la fréquence centrale des filtres déphaseurs doit rester grande devant l'excursion en fréquence Afmax (telle que -Afmax raie parasite présente autour de fi+f0. Par ailleurs, le filtrage déphaseur étant à capacités commutées, la fréquence centrale doit être largement inférieure à la fréquence d'échantillonnage qui est de quelques MHz. Dans ces conditions, on dimensionne avantageusement les composants du filtre passe-bas 12 pour que ce filtre ait une fréquence de coupure comprise entre 200 et 300 kHz. On a vu que, dans l'exemple considéré, la fréquence de transposition fT est de 102, 56 kHz pour une fréquence intermédiaire fI de 450 kHz. La fréquence de coupure du filtre 12 est alors par exemple de l'ordre de 240 kHz, ce qui peut être obtenu avec une cellule active 40 ayant une fréquence de coupure de 263 kHz et un coefficient de surtension de 0, 687 et un réseau RC 42 ayant une fréquence de coupure de 284 kHz. Ces valeurs sont par exemple obtenues avec le dimensionnement suivant: R46=68 kQ, C48=16 pF, R50=42 kL, C52=8 pF, R54=35 kQ, C56=16 pF, Ri désignant la valeur ohmique de la résistance portant la référence i, et Cj désignant la capacité du condensateur portant la référence j. Le démodulateur représenté sur la figure 1 comprend des moyens déphaseurs à capacités commutées 60 auquel est appliqué le signal de sortie Y0 du filtre passe-bas 12. Ces moyens déphaseurs 60 comprennent deux cellules de filtrage à capacités commutées montées en série, à savoir une cellule passe-bas 62 d'ordre 2 et une cellule passe-bande 64 d'ordre 2. Ces deux cellules de filtrage sont commandées par deux signaux d'horloge Hl, H2 à la fréquence d'échantillonnage. La fréquence d'échantillonnage est obtenue par division de fréquence à partir de l'oscillateur à quartz 16. La fréquence d'échantillonnage est par exemple de 2,7875 MHz=ll,15 MHz/4. Les signaux d'horloge Hl, H2 sont non recouvrants, c'est-à- dire qu'ils ne sont jamais actifs en même temps. La cellule passe-bas 62 a par exemple la structure représentée sur la figure 4. Cette structure comprend deux amplificateurs opérationnels 70, 80 ayant leurs entrées positives connectées au potentiel MC. Chaque amplificateur , 80 est associé à un condensateur d'intégration respectif 72, 82 et à un condensateur de charge respectif 74, 84. Chaque condensateur d'intégration 72, 82 relie la sortie de son amplificateur associé à son entrée négative. Un commutateur respectif 76, 86 est monté entre l'entrée négative de chaque amplificateur opérationnel 70, 80 et une borne de son conden-sateur de charge associé 74, 84. Ces mêmes bornes des conden-sateurs de charge 74, 84 sont en outre reliées au potentiel MC par l'intermédiaire de commutateurs respectifs 78, 88. Un autre condensateur 90 relie l'entrée négative de l'amplificateur opérationnel 70 à la sortie de l'amplificateur opérationnel 80. Un commutateur 92 est monté entre la sortie de l'amplifi-cateur et l'autre borne du condensateur 84. Un commutateur 94 est monté entre cette autre borne du condensateur 84 et la borne de référence au potentiel MC. Un condensateur 96 est monté entre l'autre borne du condensateur de charge 74 et la sortie de l'amplificateur opérationnel 80 constituant la sortie de la cellule, o est délivré un signal de tension Y1. Enfin, un commutateur 98 relie cette autre borne du condensateur de charge 74 à l'entrée de la cellule recevant le signal de tension YO. Les commutateurs 76, 88, 92, 96 sont commandés par le signal d'horloge H1 de manière à être fermés uniquement lorsque le signal H1 est actif (par exemple Hl=l). Les commutateurs 78, 86, 94, 98 sont commandés par l'autre signal d'horloge H2 de manière à être fermés uniquement lorsque le signal H2 est actif (H2=l1). Une telle cellule passe-bas à capacités commutées a une fonction de transfert de la forme -c2 H (z) = LP 1+(-2+C c +C 2) Z+ (1C- c)c' Wl QiI 'W1ViQ1 o Cwl représente la capacité des condensateurs de charge 74, 84, et CQ1 représente la capacité du condensateur 90. Ces capacités Cwl,CQl s'entendent comme étant normalisées relativement à la capacité des condensateurs d'intégration 72, 82. La cellule passe-bande 64 a par exemple la structure illustrée sur la figure 5. Cette structure est en grande partie semblable à celle précédemment décrite en référence à la figure 4. On a donc utilisé les mêmes références numériques que sur la figure 4, avec un symbole prime, pour désigner des éléments de même nature agencés de la même manière. La cellule passe-bande de la figure 5 diffère de la cellule passe-bas de la figure 4 en ce que le condensateur de charge 74', au lieu de recevoir le signal d'entrée Y1 de la cellule, est relié au potentiel MC par l'intermédiaire d'un commutateur 100, et en ce que le signal d'entrée Y1 est adressé à l'entrée négative de l'amplificateur opérationnel ' par l'intermédiaire d'un condensateur 102. Le commutateur , qui remplace le commutateur 98, est commandé par le signal d'horloge H2 de manière à être fermé uniquement lorsque le signal H2 est actif (H2=l). Cette cellule passe- bande 64 a une fonction de transfert de la forme -c cG +cc 2óaz H ( Z.) = - W2CG2 + CW2CG2 H (z) = BP 1+(-2+Cw2C02+C 2)Z+(1CW2CQ2) o CW2 désigne la capacité des condensateurs de charge 74', 84', CG2 désigne la capacité du condensateur d'entrée 102, et CQ2 désigne la capacité du condensateur 90'. Ces capacités Cw2, CG2 et CQ2 s'entendent comme étant normalisées relativement à la capacité des condensateurs d'intégration 72, 82'. On peut optimiser le comportement des cellules à capacités commutées 62, 64 en recherchant les coefficients des fonctions de transfert qui minimisent la distorsion de phase. Dans l'exemple particulier considéré précédemment, on peut ainsi retenir une cellule passe-bas 62 d'ordre 2 ayant une fréquence de coupure de 93,5 kHz et un coefficient de surtension de 4, et une cellule passe-bande 64 d'ordre 2 ayant une fréquence de coupure de 108,9 kHz et un coefficient de surtension de 4,7. Avec une fréquence d'échantillonnage de 2,7875 MHz et des cellules ayant les structures représentées sur les figures 4 et 5 avec des capacités d'intégration de 5 pF, ces fonctions de transfert peuvent être obtenues avec les valeurs numériques suivantes: CG2=1 pF, CW2=1,218 pF, CQ2=1,042 pF, CW1l=1,048 pF, et CQ1=1,227 pF. Le spectre du signal de sortie Y2 du dispositif 60 à capacités commutées présente des raies à haute fréquence dues à la fréquence d'échantillonnage et à ses harmoniques. Un filtre passe-bas 110 est prévu pour éliminer ces raies à haute fréquence (figure 1). Ce filtre 110 consiste en un réseau RC d'ordre 1 comprenant, entre l'entrée recevant le signal Y2 et la borne de référence au potentiel MC, une résistance 112, un condensateur 114 et une résistance 116 montés en série. Le signal de sortie du filtre 110 est constitué par la tension HP-HM aux bornes du condensateur 114. Comme le filtre passe-bas 110 introduit un certain déphasage, il est prévu un autre filtre passe-bas 120 de constitution identique traitant le signal Y0. Ce filtre 120 comprend une résistance 122, un condensateur 124 et une résistance 126 de caractéristiques aussi proches que possible que celles des composants 112, 114, 116 du filtre 110, et agencés de la même manière. La tension LP-LM aux bornes du condensateur 124 constitue le signal de sortie du filtre 120. Le signal Y0 est de la forme cos(27ft), avec la fréquence f de la forme fT+Af, Af représentant la modulation de fréquence du signal radio d'entrée autour de la fréquence intermédiaire fI. Dans ces conditions, la tension de sortie HP-HM du filtre passe-bas 110 est proportionnelle à cos(21ft+p(Af)+y(f)), o p(Af) désigne le déphasage produit par le dispositif déphaseur à capacités commutées 60, qui varie de façon linéaire avec la fréquence autour de la fréquence de transposition, et V(f) désigne le déphasage introduit par le filtre passe-bas 110 à la fréquence f. La tension de sortie LP-LM du filtre passe-bas 120 est proportionnelle à cos(2nft+N(f)). En multipliant les tensions HP-HM et LP-LM, on obtient alors un signal proportionnel cos(4tft+(pAf)+21(f))+cos(p(Af)). Un filtrage passe-bas permet d'éliminer le premier terme pour ne conserver dans le signal de sortie en bande de base Z que le second terme porteur d'information, proportionnel à cos(p(Af)). Le démodulateur représenté sur la figure 1 comprend ainsi des moyens de mélange constitués par un multiplieur 130 et par un filtre passe-bas 132 produisant le signal de sortie en bande de base Z à partir du signal de sortie HL du multiplieur 130. Le filtre passe-bas 132 peut simplement consister en un réseau RC. Le multiplieur 130 a par exemple la structure représentée sur la figure 6. Il s'agit d'une structure de cellule de Gilbert très semblable à celle représentée sur la figure 2. En conséquence, on a utilisé les mêmes références numériques que sur la figure 2, avec le signe "'", pour désigner des composants analogues. Les bases des transistors npn 22', 24' du premier étage de la cellule de Gilbert reçoivent respectivement la tension LP présente entre la résistance 122 et le condensateur 124 du filtre passe-bas , et la tension LM présente entre le condensateur 124 et la résistance 126 du filtre passe-bas 120. Les grilles des transistors NMOS 28', 30' du second étage de la cellule de Gilbert reçoivent la tension HP présente entre la résistance 112 et le condensateur 114 du filtre passe-bas 110. Les grilles des transistors NMOS 26', 32' du second étage de la cellule de Gilbert reçoivent la tension HM présente entre le condensateur 114 et la résistance 116 du filtre passe-bas 110. La tension de sortie HL du multiplieur est disponible sur les drains des transistors NMOS 28' et 32'. Pour régler l'amplitude du signal de sortie HL ou Z, on prévoit avantageusement que le générateur de courant 20' du multiplieur 130 délivre un courant dépendant d'un signal de commande de gain GS. Un tel réglage permet notamment de tenir compte de différentes largeurs de bande possibles pour des canaux de communication (par exemple 12,5 kHz et 25 kHz dans le cas des normes CT0). REVENDICATIONS 1. Circuit démodulateur pour traiter un signal d'entrée (XP, XM) présentant une modulation de fréquence autour d'une fréquence intermédiaire (fi) et produire un signal de sortie en bande de base (Z) représentatif de ladite modulation, caractérisé en ce qu'il comprend: des premiers moyens (10,12) de mélange entre le signal d'entrée (XP, XM) et au moins une onde (QR, QM) de fréquence prédéterminée (f0) pour produire un premier signal (Y0) présentant ladite modulation de fréquence autour d'une fré-quence de transposition (fT) égale à la différence entre la fréquence intermédiaire et ladite fréquence prédéterminée; des moyens déphaseurs à capacités commutées (60) auxquels est appliqué le premier signal (Y0), pour produire un second signal (Y2) présentant, par rapport au premier signal, un déphasage variant de façon sensiblement linéaire avec la fréquence autour de la fréquence de transposition; un premier filtre passe-bas (110) auquel est appliqué le second signal (Y2) pour éliminer des composantes à haute fréquence du second signal; un second filtre passe-bas (112) sensiblement identique au premier filtre passe-bas, auquel est appliqué le premier signal (Y0); et des seconds moyens de mélange (130,132) entre des signaux (HP-HM, LP-LM) respectivement produits par les premier et second filtres passe-bas (110,112) pour délivrer le signal de sortie en bande de base (Z). 2. Circuit démodulateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que les premiers moyens de mélange comprennent un multiplieur (10) faisant le produit entre le signal d'entrée (XP, XM) et ladite onde de fréquence prédéterminée (QP, QM), et un filtre passe-bas (12) d'ordre au moins égal à 3 pour produire le premier signal (Y0) à partir de la sortie (XQ) du multiplieur (10). 3. Circuit démodulateur selon la revendication 2, caractérisé en ce que la fréquence intermédiaire (fi) étant comprise entre 440 et 500 kHz, la fréquence de transposition (fT) est comprise entre 80 et 200 kHz, et ledit filtre passe- bas (12) d'ordre au moins égal à 3 a une fréquence de coupure comprise entre 200 et 300 kHz. 4. Circuit selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les moyens déphaseurs à capacités commutées comprennent une cellule (62) de filtrage passe-bas d'ordre 2 à capacités commutées et une cellule (64) de filtrage passe-bande d'ordre 2 à capacités commutées montées en série. 5. Circuit selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que les premier et second filtres passe-bas (110, 112) sont des réseaux RC d'ordre 1. 6. Circuit selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que les seconds moyens de mélange comprennent un multiplieur (130) faisant le produit entre les signaux (HP-HM, LP-LM) produits par les premier et second filtres passe-bas (110, 112), et un filtre passe-bas (132) pour produire le signal de sortie en bande de base (Z) à partir d'un signal de produit (HL) délivré par le multiplieur (130). 7. Circuit selon la revendication 6, caractérisé en ce que ledit multiplieur (130) comporte des moyens (20') pour régler l'amplitude du signal de produit (HL) sur la base d'un signal de commande de gain (GS).