Brevet FR2746560A1 — publié le 19970926

PROCEDE DE DEMODULATION D'UNE PORTEUSE MODULEE EN FREQUENCE Pour la transmission de signaux à travers des milieux de propagation fortement atténuateurs, qui rabaissent le niveau reçu trop près du niveau du bruit de propagation, on utilise usuellement la modulation de fréquence. Ce type de modulation, utilisé par exemple en radiodiffusion et en radio-téléphonie, en l'espèce le domaine dans lequel est née l'invention présentée ci-après, mais qui ne doit cependant pas limiter la portée de la présente demande, consiste à faire varier la fréquence d'une porteuse autour d'une valeur de repos, en fonction des signaux, numériques ou analogiques, à transmettre. L'amplitude instantanée du signal à transmettre est convertie en une fréquence instantanée de la porteuse, dont l'écart ou excursion de fréquence par rapport à la fréquence de repos représente l'amplitude du signal. Cette excursion de fréquence de la porteuse évolue au rythme des variations de l'amplitude du signal commandant la modulation. Comme la porteuse n'est pas modulée en amplitude, cette porteuse peut être émise à un niveau d'amplitude fixe maximal. En réception, le signal est en général amplifié jusqu'à un niveau optimal prédéterminé, pour subir une démodulation inverse qui restitue l'amplitude du signal d'origine. Comme l'information à transmettre, c'est-à-dire l'évolution de l'amplitude du signal analogique, a été convertie en une information de fréquence, la dégradation du rapport amplitude porteuse/amplitude bruit que l'on peut tolérer est bien plus grande que dans le cas d'une modulation d'amplitude, puisque le bruit ne peut modifier la fréquence instantanée de modulation, donc l'information. La modulation de fréquence présente cependant l'inconvénient de nécessiter une bande-passante bien plus large que celle nécessaire à une transmission en modulation d'amplitude, qui est limitée au spectre du signal à transmettre. Or, dans le cas de transmissions radio, et en particulier pour le radio-téléphone, le grand nombre de canaux nécessaires ne permet d'affecter à chacun qu'une bande-passante très limitée. De ce fait, le démodulateur n'est commandé que par de faibles excursions de fréquence et délivre un signal de faible amplitude On peut évidemment songer à amplifier le signal modulé en amplitude qu'il restitue, mais le bruit interne au démodulateur a déjà dégradé ce signal. On cherche donc à accroître la sensibilité du démodulateur en fonction de l'excursion de fréquence. On rappellera qu'un démodulateur classique comporte un mélangeur à deux voies recevant toutes deux la porteuse modulée, mais déphasées en quadrature l'une par rapport à l'autre. Le déphasage en quadrature est obtenu en interposant sur l'une des voies un circuit à retard, représentant exactement un quart d'onde à la fréquence de repos de la porteuse. En présence de modulation de fréquence, la longueur d'onde instantanée de la porteuse varie et le circuit à retard ne représente plus exactement une longueur d'un quart d'onde de la fréquence instantanée, si bien que le déphasage de 90 degrés subit une modulation de phase correspondante, proportionnelle au taux de modulation de la fréquence porteuse. Le mélangeur fournit alors un signal d'amplitude sensiblement proportionnelle à cette modulation de phase et reconstitue ainsi le signal d'origine. Pour accroître la sensibilité du démodulateur, il est connu d'abaisser la fréquence de la porteuse, par battement avec des oscillateurs locaux successifs en amont du démodulateur, afin que l'excursion de fréquence due à la modulation, inchangée lors de ces opérations, représente un taux de modulation de la fréquence porteuse qui soit accru et module donc d'autant plus la phase du signal traversant le circuit à retard. Cependant, ces étages nécessitent un matériel coûteux et ajoutent du bruit au signal reçu. La présente invention vise à éviter ces inconvénients. A cet effet, I'invention concerne un procédé de démodulation d'une porteuse modulée en fréquence, selon une dynamique déterminée, en fonction de l'amplitude d'un signal d'excitation, dans lequel: - on transforme la modulation de fréquence en une modulation de phase, en faisant suivre à la porteuse modulée un trajet dans un circuit la retardant en fonction de la valeur instantanée de la fréquence modulée, - on détecte un écart de phase de modulation, en comparant la phase de la porteuse retardée à celle de la porteuse non retardée, et - on convertit l'écart de phase en une amplitude d'un signal de démodulation variant comme cet écart et représentatif de l'amplitude du signal d'excitation, procédé caractérisé par le fait qu'on augmente l'amplitude du signal de démodulation, rapportée à la dynamique de modulation de fréquence, par une augmentation de l'écart de phase obtenue au moyen d'une diminution de la vitesse de propagation de la porteuse modulée sur le trajet de retard. Ainsi, la longueur d'onde de la porteuse modulée, qui est porportionnelle à la vitesse de propagation, est diminuée d'autant sur le trajet de retard, si bien que, inversement, celui-ci paraît être allongé et son effet accru de même. Le déphasage modulé est donc augmenté porportionnellement à la diminution de vitesse et il augmente de même l'efficacité du battement, c'est-å-dire l'amplitude du signal de démodulation. On remarquera en particulier que l'on peut prévoir au repos un déphasage en quadrature qui soit supérieur à 90 degrés, c'est-à-dire y ajouter un certain nombre de fois 180 degrés, ce qui permet d'accroître à volonté la longueur du trajet de retard, donc la sensibilité. II convient aussi de noter qu'un déphasage au repos différent de la quadrature engendrerait une tension continue déterminée en sortie, qu'il serait parfaitement possible de retrancher du signal total de démodulation. L'invention sera mieux comprise à l'aide de la description suivante d'un mode de mise en oeuvre préféré du procédé de l'invention, en référence au dessin annexé, sur lequel: - la figure 1 est un schéma par blocs d'un démodulateur pour la mise en oeuvre du procédé de l'invention; - la figure 2 illustre le principe de la modulation de fréquence pour transmettre un signal d'excitation; - la figure 3 illustre, en réception, une conversion de modulation de fréquence en modulation de phase; et - la figure 4 illustre, toujours en réception, une conversion de la modulation de phase en une modulation d'amplitude restituant un signal représentatif du signal d'excitation. Le démodulateur représenté sert à la réception d'un signal de radiotéléphonie dans cet exemple. De ce fait, il comporte en tête un récepteur radio 1 à oscillateur local, qui abaisse la fréquence d'une porteuse radio reçue en provenance d'un émetteur correspondant et modulée en fréquence, autour d'une fréquence porteuse de repos, F0, par un signal d'excitation. Sur la figure 2, I'axe horizontal porte les amplitudes A du signal d'excitation, variant dans une plage -Al à +Al, et l'axe vertical porte une plage correspondante F0 - AF, F0 + AF d'excursion de fréquence autour de la fréquence F0. La courbe C2 de correspondance de tout point (Ai) d'une plage à l'autre (Fi) est monotone, et même ici sensiblement linéaire, si bien que la connaissance d'une valeur Fi dans la plage de fréquences permettra, lors de la démodulation, de déterminer en retour, sans ambiguité, la valeur d'amplitude d'Ai correspondante. Le démodulateur comporte, en aval du récepteur 1, des éléments assurant la démodulation proprement dite. En tête se trouve un diviseur de puissance 2 à deux voies, recevant le signal issu du récepteur 1 et alimentant respectivement, par ses deux sorties, une première entrée d'un mélangeur 5 et une seconde entrée du mélangeur 5 à travers un composant à onde de surface 3 en série avec un déphaseur ajustable 4. La sortie du mélangeur 5 attaque un filtre passe-bas 6 de sortie du démodulateur. Le procédé de l'invention est le suivant: - on transforme la modulation de fréquence en une modulation de phase, en faisant suivre à la porteuse modulée un trajet dans un circuit la retardant (3) en fonction de la valeur instantanée de la fréquence modulée, - on détecte un écart de phase pi de modulation, en comparant la phase de la porteuse retardée à celle de la porteuse non retardée, et - on convertit l'écart de phase pi en une amplitude Ai d'un signal de démodulation variant comme cet écart pi et représentatif de l'amplitude Ai du signal d'excitation, I'amplitude Ai du signal de démodulation, rapportée à la dynamique de modulation de fréquence F0 - AF, F0 + AF, étant augmentée par une augmentation de l'écart de phase (pi obtenue au moyen d'une diminution de la vitesse de propagation de la porteuse modulée sur le trajet de retard 3. Le composant à onde de surface 3 est en fait un filtre à onde de surface FOS du genre passe-bande, introduisant un déphasage pi du signal reçu variant linéairement avec l'excursion de fréquence (courbe C3 de la figure 3) entre deux valeurs -A(p et + Ap correspondant respectivement aux fréquences F0 - AF et F0 + AF. Le déphaseur ajustable 4 prévu dans cet exemple permet d'ajuster en quadrature les signaux des deux voies du mélangeur 5 et permet en particulier de conserver un même FOS 3 en cas de changement de la fréquence porteuse, pour une autre transmission radio, sans devoir éliminer une composante continue de démodulation qui apparaîtrait en cas de non quadrature des signaux appliqués au démodulateur 5. L'oscillateur local du récepteur 1 a de même pour fonction, dans cet exemple, de ramener toute fréquence porteuse dans une gamme de fréquences dans laquelle on puisse utiliser un unique FOS 3. Les circuits 1 et 4 ne procurent donc qu'un avantage. On rappellera qu'un FOS a une fonction de transducteur électromécanique pour transformer, par effet piézo-électrique, une onde électrique en une onde mécanique se propageant en surface, à vitesse réduite, sur le quartz constitutif du FOS. La vitesse de propagation en surface est d'environ 3.000 km/s, contre environ 200.000 km/s dans un câble électrique. De ce fait, un FOS présente, à longueur physique donnée, une "longueur" de propagation ou temps de retard environ 200/3 = 70 fois plus élevé qu'un câble. Pour fournir une idée des ordres de grandeur, on rappellera tout d'abord que la longueur d'onde X peut s'exprimer par la formule: X = VT avec V: vitesse de propagation dans un milieu considéré et T: période de l'onde. Ainsi, une onde à 10 gigahertz (GHz) ( T = 10-1 s) se propageant dans le vide, à 300.000 km/s, a une longueur d'onde de 0,03 mètre. Une onde à 0,1 GHz en sortie du récepteur 1 (câble parcouru à 200 000 km/s) a une longueur d'onde de 2 mètres. Cette même onde appliquée au FOS 3, a une longueur d'onde réduite du facteur 200/3 cidessus soit X = 2 m x 3/200 = 30 mm. On voit ainsi que l'onde reçue à 0,1 GHz équivaut, lors de son passage dans le FOS 3, à l'onde à 10 GHz dans le vide (k = 30 mm). De ce fait, un FOS 3 de 7,5 mm de longueur permet déjà d'obtenir un déphasage de 90 degrés de la porteuse retardée. Un déphasage bien plus élevé, donc une sensibilité encore accrue du démodulateur, peut être obtenu par un FOS 3 de longueur dépassant les 7,5 mm, sans que celle-ci ne devienne excessive en pratique. On peut ainsi déphaser la porteuse d'au moins 3 7C/2 au repos. En d'autres termes, la réduction de la vitesse de propagation de l'onde accroît dans le même rapport la longueur apparente du trajet qu'elle suit dans ou sur le milieu où elle se propage. Le mélangeur 5 fonctionne de façon classique et a une fonction de comparateur de phase et de transducteur pour transformer les écarts de phase pi en un signal de démodulation d'amplitude correspondante (courbe C4 de la figure 4). Le mélangeur 5 reçoit deux signaux de la forme sin oet et sin (t + 90 + (pi) = cos (wt +(pi), avec (o = 2w F et (pi: modulation du déphasage par rapport au déphasage de 90 degrés au repos, à F0, correspondant au signal d'excitation (figure 3). On aura compris que le signal traité par le FOS 3 retrouve sa longueur d'onde d'origine à la sortie de celui-ci, mais conserve l'amplitude de déphasage. Après élimination par filtrage d'une composante centrée sur la fréquence 2 F0 par un filtre passe-bas 6, le signal résultant de démodulation présente une amplitude instantanée de la forme: Ai = Kx sin (pi. avec K: constante liée à la structure du mélangeur 5. Le signal de démodulation est représentatif du signal d'origine et, dans cet exemple, par commodité, on suppose que la valeur K permet d'obtenir un signal de démodulation exactement égal au signal d'origine et c'est pourquoi il est indiqué une amplitude Ai sur la figure 4, égale et non simplement porportionnelle à celle d'origine. On constate ainsi que l'accroissement de la dynamique ou excursion de la phase (pi augmente d'autant la sensibilité du mélangeur 5. REVENDICATIONS 1. - Procédé de démodulation d'une porteuse modulée en fréquence (C1), selon une dynamique déterminée (F0 - AF, F0 + AF), en fonction de l'amplitude (Ai) d'un signal d'excitation, dans lequel: - on transforme la modulation de fréquence en une modulation de phase (C3), en faisant suivre à la porteuse modulée un trajet (3) dans un circuit la retardant en fonction de la valeur instantanée de la fréquence modulée, - on détecte (5) un écart de phase ((pi) de modulation, en comparant la phase de la porteuse retardée à celle de la porteuse non retardée, et - on convertit (5) L'écart de phase ((pi) en une amplitude (Ai) d'un signal de démodulation variant comme cet écart ((pi) et représentatif de l'amplitude (Ai) du signal d'excitation, procédé caractérisé par le fait qu'on augmente l'amplitude (Ai) du signal de démodulation, rapportée à la dynamique de modulation de fréquence (F0 - AF, F0 + AF), par une augmentation de l'écart de phase ((pi) obtenue au moyen d'une diminution de la vitesse de propagation de la porteuse modulée sur le trajet de retard (3). 2.- Procédé selon la revendication 1, dans lequel on retarde la porteuse modulée en la transformant en onde de surface au moyen d'un composant à onde de surface (3). 3.- Procédé selon les revendications 1 et 2, dans lequel on effectue un filtrage passe-bas (6) sur le signal de démodulation. 4.- Procédé selon les revendications 1 à 3, dans lequel on ramène la fréquence de la porteuse reçue dans une plage de fréquences prédéterminée. 5.- Procédé selon les revendications 1 à 4, dans lequel on règle en quadrature l'écart de phase ((psi) en l'absence de modulation (F0), avant ladite comparaison des phases de la porteuse et de la porteuse retardée. 6.- Procédé selon les revendications 1 à 5, dans lequel on déphase la porteuse d'au moins 3 z/2 au repos.