Brevet FR2763190A1 — publié le 19981113

PROC-DÉ ET DISPOSITIF DE TRANSFERT D'INFORMATIONS ENTRE DES CIRCUITS ÉCHANGEANT DES DONNÉES PAR L'INTERMÉDIAIRE DE CONVERTISSEURS La présente invention concerne le domaine des conver- tisseurs numérique-analogique et analogique-numérique. L'inven- tion concerne plus particulièrement des convertisseurs dits "delta- sigma" qui procèdent à un codage/décodage des signaux numériques à une fréquence très nettement supérieure à la fré- quence d'échantillonnage, et qui utilisent des convertisseurs numérique-analogique et analogique- numérique proprement dits sur un seul bit. La présente invention s'applique plus particulièrement à des échanges d'informations, autres que les données traitées par les convertisseurs, entre des circuits communiquant par 1 'intermédiaire de convertisseurs delta-sigma. Des convertisseurs delta-sigma sont utilisés, par exem- ple, dans des modems de transmission de données sur une ligne téléphonique. Dans une telle application, une partie analogique du modem connectée à la ligne téléphonique doit être isolée gal- vaniquement d'entrées/sorties numériques du modem reliées, par exemple, à un processeur numérique de signal ou à un micro- ordinateur. D'autres signaux que les données proprement dites doivent généralement transiter par la barrière d'isolement galva- nique du modem. Ces signaux supplémentaires nécessitent des moyens d'isolement additionnels, séparés des moyens d'isolement par lesquels transitent les données, ce qui est néfaste au coût et à l'encrmbrement du modem. Des convertisseurs delta-sigma sont également utilisés dans d'autres applications, par exemple entre un circuit numéri- que de traitement de données audio et un circuit analogique de restitution ou d'enregistrement d'un signal audio. Dans de telles applications, il est fréquent que d'autres informations que les données audio proprement dites doivent être transférées entre les parties numérique et analogique du système. Le transfert de tel- les informations supplémentaires nécessite classiquement des liaisons supplémentaires dédiées à ces informations. La présente invention vise à proposer un nouveau pro- cédé de transfert d'informations entre deux circuits échangeant des données par l'intermédiaire d'un convertisseur numérique- analogique ou analogique-numérique de type delta-sigma sans qu'il soit nécessaire de prévoir des liaisons supplémentaires dédiées à ces informations. Une première solution consisterait à réserver, côté numérique, un certain nombre de bits à ces informations supplé- mentaires. Toutefois, outre le fait qu'une telle solution aug- mente le nombre de bits, elle n'est pas satisfaisante dans la mesure o elle permet de transférer des informations que du cir- cuit numérique vers le circuit analogique. De plus, de telles informations polluent alors le signal analogique de données pro- prement dites. Un objet de la présente invention est de proposer un procédé de transfert d'informations qui, tout en permettant l'utilisation d'une liaison servant au convertisseur, ne pollue pas le transfert des données proprement dites. L'invention vise également à ne pas modifier le nombre de bits sur lesquels fonctionne le convertisseur. Pour atteindre ces objets, la présente invention pré- voit un procédé de transfert d'informations entre deux circuits échangeant des données par 1' intermédiaire de convertisseurs delta- sigma, qui consiste: à coder les informations sous la forme d'au moins un signal de fréquence déterminée correspondant à un multiple entier d'une fréquence d'échantillons de données numériques; à mélanger, à une première extrémité d'une ligne véhiculant un signal numérique sur-échantillonné du convertis- seur, ledit signal de fréquence déterminée; à extraire du mélange, à une deuxième extrémité de ladite ligne, ledit signal de fréquence déterminée; et à décoder les informations corres- pondantes. Selon un mode de réalisation de la présente invention, plusieurs informations supplémentaires sont transférées en étant chacune associée à une fréquence déterminée correspondant à un multiple entier de la fréquence des échantillons de données numé- riques. Selon un mode de réalisation de la présente invention, la fréquence de sur-échantillonnage du convertisseur delta-sigma est choisie pour être très nettement supérieure à la fréquence des échantillons numériques. Selon un mode de réalisation de la présente invention, appliqué à un convertisseur numérique-analogique, ladite ligne relie un circuit de mise en forme de bruit à un convertisseur sur un bit des sur- échantillons numériques, ledit signal de fréquence déterminée étant mélangé, aux échantillons de données numériques, en amont du circuit de mise en forme de bruit. Selon un mode de réalisation de la présente invention, appliqué à un convertisseur analogique-numérique, ladite ligne relie un modulateur délivrant des sur-échantillons sur un bit à un décimateur numérique, ledit signal de fréquence déterminée étant mélangé, à un signal analogique de données, en amont du modulateur. Selon un mode de réalisation de la présente invention, les données numériques sont des données audio. Selon un mode de réalisation de la présente invention, ladite ligne traverse une barrière d'isolement galvanique sépa- rant des parties numériques et analogiques du convertisseur. La présente invention concerne également un dispositif de transfert d'informations sur une ligne de données numériques sur-échantillonnées d'un convertisseur delta-sigma numérique- analogique, qui comporte: des moyens pour coder au moins un signal d'informations sous la forme d'un signal de fréquence déterminée correspondant à un multiple entier d'une fréquence d'échantillonnage des données numériques introduites dans le convertisseur; des moyens pour mélanger, à une première extré- mité de la ligne, le signal de fréquence déterminée au signal de données numériques sur-échantillonnées délivré par un circuit de mise en forme de bruit du convertisseur; et des moyens pour extraire, à une deuxième extrémité de la ligne, le signal de fré- quence déterminée du signal mélangé. La présente invention concerne également un dispositif de transfert d'informations sur une ligne de données numériques sur-échantillonnées d'un convertisseur delta-sigma analogique- numérique, qui comporte: des moyens pour coder au moins un signal d'information à transmettre sous la forme d'un signal de fréquence déterminée correspondant à un multiple entier d'une fréquence d'échantillonnage des données numériques restituées par le convertisseur; des moyens pour mélanger, à une première extrémité de la ligne, le signal de fréquence déterminée à un signal de données numériques suréchantillonnées délivré par un modulateur recevant un signal de données analogiques; et des moyens pour extraire, à une deuxième extrémité de la ligne, le signal de fréquence déterminée du signal mélangé. Selon un mode de réalisation de la présente invention, le dispositif comporte en outre des moyens pour multiplexer plu- sieurs signaux de fréquences déterminées avant lesdits moyens de mélange, et des moyens pour démultiplexer ces signaux de fréquen- ces déterminées à la deuxième extrémité de la ligne. Ces objets, caractéristiques et avantages, ainsi que d'autres de la présente invention seront exposés en détail dans la description suivante de modes de réalisation particuliers faite à titre non-limitatif en relation avec les figures jointes parmi lesquelles: la figure 1 représente, sous forme de schéma-bloc, un convertisseur numérique-analogique delta-sigma associé à un dis- positif de transfert d'informations selon la présente invention; la figure 2 illustre la répartition spectrale du trans- fert d'informations et de données dans un dispositif tel que représenté à la figure 1; la figure 3 représente, sous forme de schéma-bloc, un convertisseur delta-sigma analogique-numérique associé à un dis- positif de transfert d'informations selon la présente invention; et la figure 4 illustre la répartition spectrale du trans- fert d'informations et de données dans un dispositif tel que représenté à la figure 3. Pour des raisons de clarté, seuls les éléments des convertisseurs delta-sigma qui sont nécessaires à la compréhen- sion de l'invention ont été représentés aux figures et seront décrits par la suite. La figure 1 représente un mode de réalisation d'un convertisseur delta-sigma numérique-analogique associé à un dis- positif de transfert d'informations supplémentaires selon la pré- sente invention. Un convertisseur delta-sigma comporte une partie 1 numérique de filtrage et de mise en forme de mots Td de données sur n bits en un signal numérique Td' sur un seul bit. Le signal Td traverse un filtre 2 d'interpolation (INTERP) qui constitue un filtre à réponse impulsionnelle finie présentant des zéros à cha- que multiple de la fréquence f0 des échantillons du signal Td. Le filtre 2 est généralement précédé d'un filtre demi-bande (supposé inclus dans le bloc 2) qui délivre les échantillons à une fré- quence p.f0 au filtre d'interpolation, p représentant un entier supérieur ou égal à 2. Le filtre 2 délivre des sur-échantillons numériques à une fréquence fs = p.q. f0, o q représente un nombre entier. Le produit p.q est généralement supérieur ou égal à 64. Les n sorties du filtre 2 sont envoyées sur un circuit 3 de mise en forme de bruit (NS) dont le rôle est de repousser le bruit de quantification hors de la bande utile. Le circuit 3 délivre le signal Td' sur un seul bit à la fréquence fs de sur- échantillonnage. Le signal Td' est envoyé sur une partie 4 analo- gique du convertisseur, essentiellement constituée d'un conver- tisseur 5 numérique-analogique (DAC) un bit travaillant à la fréquence de sur-échantillonnage fs et délivrant un signal analo- gique Ta. Le niveau d'un échantillon courant est déterminé en incrémentant, ou en décrémentant, le niveau de l'échantillon pré- cédant en fonction de 1 'état du bit unique. Le convertisseur 5 réalise, en sortie, un filtrage passe-bas de façon à éliminer le bruit de quantification prédeumment repoussé hors de la bande utile. La figure 2 illustre le fonctionnement d'un tel conver- tisseur d'un point de vue fréquentiel. La bande utile bu contient les fréquences inférieures a la fréquence fO/2 d'échantillonnage des données et le bruit de quantification qn a une densité spec- trale Gaussienne centrée sur la fréquence fs/2. La fréquence fs correspond généralement à un multiple très élevé de la fréquence f0. Par exemple, dans des applications audio la fréquence fs est d'environ 64 ou 128 fois la fréquence f0. Pour une transmission de données au moyen d'un modem, la fréquence fs correspond à un multiple généralement compris entre 96 et 256 de la fréquence f0. La structure et le fonctionnement d'un convertisseur delta-sigma numérique-analogique sont parfaitement connus et ne seront pas détaillés plus avant. Selon l'invention, on utilise la ligne 6 séparant le circuit 3 du convertisseur 5 pour transmettre des informations supplémentaires par rapport aux données. Cette transmission s'ef- fectue à une ou plusieurs fréquences fl, f2, inférieures à la fréquence fs et correspondant à des multiples entiers de la fré- quence f0. Dans l'exemple représenté, deux informations Il et I2 sont transmises à des fréquences fl et f2 correspondant, par exemple, à deux et trois fois la fréquence f0. Les informations Il et I2 sont, par exemple, constituées de signaux binaires sur un bit qui traversent des codeurs (CODE) 7, 8 transformant ces signaux binaires en signaux fréquentiels à la fréquence fl. Les sorties respectives des codeurs 7 et 8 sont mélangées par un mul- tiplexeur 9 (MUX). La sortie du multiplexeur 9 est mélangée au signal de données, à une première extrémité de la ligne 6. En pratique et comme l'illustre la figure 1, le mélange de la sortie du multiplexeur 9 aux données numériques s'effectue, de préfé- rence, en amont du circuit 3 de mise en forme du bruit. Il est en effet peu pratique de mélanger des signaux fréquentiels à un signal numérique sur 1 bit. Le nombre de bits sur lesquels sont mélangés les fréquences fl et f2 dépend de l'amplitude souhaitée pour ces fréquences. A l'autre extrémité de la ligne 6 (côté convertisseur 5), le signal mélangé est envoyé, d'une part, à l'entrée du convertisseur 5 et, d'autre part, à l'entrée d'un démultiplexeur 10 chargé de détecter la présence des fréquences fl et f2 et de les séparer pour restituer les deux signaux d'in- formations I'l et I'2 aux fréquences fl et f2. Comme l'illustre la figure 2, les fréquences fl et f2 ne polluent pas les données traversant le convertisseur delta- sigma. En effet, ces fréquences sont situées entre la bande utile et la répartition du bruit de quantification autour de la fré- quence fs/2. La figure 3 représente un mode de réalisation d'un convertisseur delta-sigma analogique-numérique associé à un dis- positif de transfert d'informations supplémentaires selon la pré- sente invention. Un convertisseur delta-sigma analogique-numérique com- prend généralement une partie analogique 11 constituée d'un modu- lateur 12 (MA MODUL) à une fréquence de sur-échantillonnage fs recevant un signal analogique Ra. Le modulateur 12 délivre des sur- échantillons numériques Rd' sur un bit à la fréquence fs. Le signal Rd' est envoyé sur un décimateur numérique 13 (DECIM) d'une partie numérique 14 du convertisseur. Le rôle du décimateur 13 est de convertir les sur-échantillons sur lbit en n échan- tillons Rd à la fréquence p.f0 (fs/q). Le décimateur 13 constitue un filtre à réponse impulsionnelle finie comportant des zéros à chaque multiple de la fréquence f0 et réalise un filtrage passe- bas du signal Rd'. Les sorties du décimateur 13 traversent géné- ralement un filtre demi-bande (supposé inclut dans le bloc 13) qui ramène les n échantillons à la fréquence f0 et délivre des signaux Rd sur n bits. La figure 4 illustre la réponse fréquentielle d'un convertisseur delta-sigma analogique-numérique. Le bruit de quan- tification qn est comme précédemment de forme Gaussienne et cen- tré sur la fréquence fs/2. La réponse fréquentielle du modulateur 12 présente des zéros à chaque multiple de la fréquence f0. Le décimateur 13 élimine toutes les fréquences supérieures à la bande utile bu du signal converti. Corne pour le convertisseur numérique-analogique, la structure et le fonctionnement d'un convertisseur delta-sigma analogique-numérique sont parfaitement connus et ne seront pas détaillés plus avant. Selon 1' invention, pour transmettre des informations supplémentaires sur la ligne 15 séparant le modulateur 12 du décimateur 13, on utilise, comme dans le cas de la conversion numérique-analogique, une ou plusieurs fréquences correspondant à des multiples entiers de la fréquence f0. Si plusieurs informa- tions supplémentaires doivent être transmises, ces informations sont commne précédemment multiplexées (MUX 16), et sont ici mélan- gées au signal Rd'. Le mélange est, de préférence, effectué en amont du modulateur 12, c'est-à-dire sur le signal Ra. A l'autre extrémité de la ligne 15, le signal est envoyé d'une part au décimateur 13 et d'autre part à un démultiplexeur 17 (DEMUX) chargé de détecter et d'isoler les fréquences fl et f2 pour res- tituer les informations transmises. Bien entendu, comme dans le cas de la conversion numérique-analogique, les informations sup- plémentaires sont, le cas échéant, codées en amont du multi- plexeur 16 et décodées en aval du démultiplexeur 17. Comme il ressort de la figure 4, le transfert des informations supplémentaires aux fréquences fl et f2 ne polluent pas les données dans la mesure o ces fréquences fl et f2 sont filtrées avant restitution des données Rd. En effet, ces fréquen- ces correspondent à des zéros du filtre à fréquence impul- sionnelle finie 3 et sont comprises entre la bande utile du convertisseur et la répartition du bruit de quantification autour la fréquence fs/2. Si pour des raisons de commodité de réalisation prati- que, les signaux de fréquences fixes sont, pour un transfert uti- lisant le convertisseur numérique-analogique, générés sous forme de fréquences numériques à mélanger aux données proprement dites et, pour un transfert utilisant le convertisseur analogique- numérique, générés sous la forme de signaux analogiques à mélan- ger au signal analogique de données, on pourra également mélanger ces signaux aux signaux numériques sur-échantillonnés sur 1 bit, c'est-àdire, en sortie du circuit 3 (figure 1) ou en sortie du circuit 12 (figure 2). Le nombre de signaux d'informations supplémentaires qu'il est possible de transmettre en mettant en oeuvre la pré- sente invention dépend du rapport entre la fréquence de sur- échantillonnage fs et la fréquence f0. Ainsi, on utilisera de préférence des convertisseurs delta-sigma ayant une fréquence de sur-échantillonnage nettement plus élevée que la fréquence f0. Cette condition est parfaitement compatible avec les rapports habituels entre les fréquences fs et f0 dans des applications audio ou de transmissions de données numériques au moyen d'un modem. Pour mettre en oeuvre la présente invention dans un modem de transmission de données numériques entre un équipement utilisateur, par exemple un micro-ordinateur, et une ligne télé- phonique, l'isolement galvanique entre la ligne téléphonique et l'équipement utilisateur est, selon l'invention, réalisé entre les parties numériques (1, 14) et analogiques (4, 11) des conver- tisseurs delta-sigma. Ainsi, des informations supplémentaires telles que des signaux de contrôle et de programmation de la par- tie analogique peuvent transiter par la même barrière d'isolement que les données sans nécessiter de moyens d'isolement supplémen- taires. Dans un système de restitution ou d'enregistrements de signaux sonores codés sous forme numérique, la mise en oeuvre de la présente invention permet de superposer sur une même ligne (6, 15) à la fois les données audio et des signaux de commande (par exemple, une consigne de volume à destination de la partie analo- gique de restitution sonore). Un avantage de la présente invention est qu'elle permet de minimiser le nombre de connexions pour transmettre des infor- mations entre des circuits échangeant des données au moyen de convertisseurs delta-sigma. Bien entendu la présente invention est susceptible de diverses variantes et modifications qui apparaîtront à l'homme de l'art. En particulier, la réalisation pratique du codage des signaux d'informations à transmettre et des multiplexeurs et démultiplexeurs éventuels est à la portée de 1 'homme du métier en fonction des indications fonctionnelles données ci-dessus. De plus, le nombre et le choix des fréquences de transmission des informations supplémentaires dépendent de l'application à laquelle est destiné le dispositif de l'invention, pourvu que ces fré- quences correspondent toujours à des multiples entiers de la fré- quence d'échantillonnage des données. En outre, l'invention s'applique à tout système de conversion respectant les caracté- ristiques des convertisseurs delta-sigma 1 bit, c'est-à-dire pré- sentant une liaison de transfert de données sur-échantillonnées sur 1 bit. REV ICATIONS 1. Procédé de transfert d' informations entre deux cir- cuits échangeant des données par l'intermédiaire de convertis- seurs delta-sigma, caractérisé en ce qu'il consiste: à coder les informations (Il, I2) sous la forme d'au moins un signal de fréquence déterminée (fl, f2) correspondant à un multiple entier d'une fréquence (f0) d'échantillons de données numériques (Td, Rd); à mélanger, à une première extrémité d'une ligne (6, ) véhiculant un signal numérique sur-échantillonné du conver- tisseur, ledit signal de fréquence déterminée; à extraire du mélange, à une deuxième extrémité de ladite ligne, ledit signal de fréquence déterminée; et à décoder les informations correspondantes. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que plusieurs informations supplémentaires (Il, I2) sont transfé- rées en étant chacune associée à une fréquence déterminée (fl, f2) correspondant à un multiple entier de la fréquence des échan- tillons de données numériques. 3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la fréquence de sur-échantillonnage (fs) du convertis- seur delta-sigma est choisie pour être très nettement supérieure à la fréquence (f0) des échantillons numériques. 4. Procédé selon l 'une quelconque des revendications 1 à 3, appliqué à un convertisseur numérique-analogique, caracté- risé en ce que ladite ligne (6) relie un circuit (3) de mise en forme de bruit à un convertisseur (5) sur un bit des sur- échantillons numériques, ledit signal (fl, f2) de fréquence déterminée étant mélangé, aux échantillons de données numériques, en amont du circuit de mise en forme de bruit. 5. Procédé selon l 'une quelconque des revendications 1 à 3, appliqué à un convertisseur analogique-numérique, caracté- risé en ce que ladite ligne (15) relie un modulateur (12) déli- vrant des sur-échantillons sur un bit à un décimateur numérique (13), ledit signal (fl, f2) de fréquence déterminée étant mélangé, à un signal analogique de données (Ra), en amont du modulateur. 6. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que les données numériques sont des don- nées audio. 7. Procédé selon l 'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que ladite ligne (6, 11) traverse une bar- rière d'isolement galvanique séparant des parties numériques (1, 14) et analogiques (4, 11) du convertisseur. 8. Dispositif de transfert d'informations sur une ligne (6) de données (Td') numériques sur-échantillonnées d'un conver- tisseur delta-sigma numérique-analogique, caractérisé en ce qu'il comporte: des moyens (7, 8, 9) pour coder au moins un signal d'informations (Il, I2) sous la forme d'un signal de fréquence déterminée (fl, f2) correspondant à un multiple entier d'une fré- quence (f0) d'échantillonnage des données numériques (Td) intro- duites dans le convertisseur; des moyens pour mélanger, à une première extrémité de la ligne (6), le signal de fréquence déterminée au signal (Td') de données numériques sur-échantillonnées délivré par un circuit (3) de mise en forme de bruit du convertisseur; et des moyens (10) pour extraire, à une deuxième extrémité de la ligne (6), le signal de fréquence déterminée du signal mélangé. 9. Dispositif de transfert d'informations sur une ligne (15) de données numériques sur-échantillonnées (Rd') d'un conver- tisseur delta-sigma analogique-numérique, caractérisé en ce qu'il comporte: des moyens pour coder au moins un signal d'information à transmettre sous la forme d'un signal de fréquence déterminée (fl, f2) correspondant à un multiple entier d'une fréquence (f0) d'échantillonnage des données numériques (Rd) restituées par le convertisseur; des moyens pour mélanger, à une première extrémité de la ligne (15), le signal de fréquence déterminée à un signal (Rd') de données numériques sur-échantillonnées délivré par un modulateur (12) recevant un signal de données analogiques (Ra); et des moyens pour extraire, à une deuxième extrémité de la ligne (15), le signal de fréquence déterminée du signal mélangé. * 10. Dispositif selon la revendication 8 ou 9, caracté- risé en ce qu'il cornporte en outre des moyens (9; 16) pour multiplexer plusieurs signaux de fréquences déterminées (fl, f2) avant lesdits moyens de mélange, et des moyens pour démultiplexer ces signaux de fréquences déterminées à la deuxième extrémité de la ligne (6; 15).