Brevet FR2794309A1 — publié le 20001201

Dispositif compensateur de la non-linéarité d'un convertisseur analogique-numérique. La présente invention concerne un dispositif compensateur de la non-linéarité d'un convertisseur analogique- numérique. Elle s'applique à la réalisation de récepteurs numériques de communications. Une caractéristique importante des récepteurs radio est leur aptitude à démoduler des signaux faibles en présence de signaux perturbateurs d'amplitude élevée. Cette aptitude est qualifiée par une dynamique instantanée et se mesure en décibels. Dans les récepteurs analogiques, la dynamique instantanée est obtenue par filtrage en bande étroite en amont de la chaîne d'amplification et peut atteindre 120 dB. Par principe, les récepteurs numériques large bande ne disposent pas de filtres à bande de fréquence étroite placés devant le convertisseur analogique-numérique, ce qui a pour effet de diminuer fortement la dynamique des récepteurs et de provoquer des distorsions sur le signal démodulé. La dynamique des convertisseurs analogique-numérique utilisés est de l'ordre de 70 dB. Leur dynamique de bruit qui est désignée en anglais sous l'abréviation S.F.D.R de " Spurious Free Dynamic Range " est de dB relativement à la pleine échelle notée PE du convertisseur. Cette dynamique varie en fonction du niveau du signal appliqué sur le convertisseur, par exemple, pour des signaux à -20 dB de la pleine échelle, la dynamique est réduite de 20 dB. Les distorsions du signal démodulé sont produites par le fait de l'imprécision de la conversion, les pas d'un convertisseur n'ayant pas tous la même valeur analogique. Les écarts d'un pas à un autre peuvent en effet atteindre plus ou moins 50%. Cette non-linéarité qui porte le nom dans la littérature de " linéarité différentielle " est qualifiée de " rugueuse ", par opposition à la non-linéarité des circuits analogiques qui est lisse. Pour un convertisseur analogique-numérique il y a en réalité une multitude de courbes de non-linéarités différentielles du type de celle de la figure 1 qui représente une courbe de distorsion d'intermodulation en deux tons égaux en fonction du niveau du signal appliqué sur l'entrée d'un convertisseur analogique- numérique, qui dépendent à la fois de la fréquence absolue du signal et de son rapport avec la fréquence d'horloge. Une méthode connue pour compenser la non-linéarité d'un convertisseur numérique-analogique consiste à ajouter au signal appliqué sur l'entrée du convertisseur un signal de bruit, appelé " dither " en anglais, ayant des caractéristiques particulières. L'efficacité de la méthode n'est pas optimale pour corriger la non-linéarité de convertisseurs analogiques- numériques de récepteurs radio numériques à large bande de fréquence s'étendant sur quelques dizaines de MHz et à faible bande de fréquence de lo modulation de quelques dizaines de kHz. Ainsi par exemple, en ajoutant un signal de bruit (dither) à -35 dB/PE en puissance moyenne, la courbe de distorsion de la figure 1 se trouve être améliorée comme l'indique la figure 2, pour les niveaux de crête compris entre -10 dB/PE et -25 dB/PE, cette amélioration étant encore plus nette pour les niveaux inférieurs. Il apparaît également que la rugosité a diminué. Cependant l'intermodulation'd'ordre 3 (IMD3) reste toujours inférieure à -80dBc. Une observation encore plus fine de la courbe de la figure 2 fait apparaître que pour bénéficier de la linéarité maximum il y aurait intérêt à positionner le signal brouilleur à la pleine échelle du convertisseur ce qui amènerait à augmenter le gain d'environ 20 dB dans la partie analogique du récepteur située avant le convertisseur, bien que ceci ne soit pas justifié par le plancher de bruit du convertisseur et puisse entraîner une instabilité du récepteur par l'accroissement qui en résulte de la dynamique de la boucle analogique de contrôle automatique de gain (CAG) placée devant le convertisseur. Mais du fait de la gestion par pas de la boucle de CAG et de l'hystérésis nécessaire, il est- pratiquement impossible de positionner le signal au-dessus d'une fenêtre entre -3 dB et -8 dB de la pleine échelle ce qui représente autant de perte pour la dynamique instantanée. Enfin, le fait de positionner les brouilleurs naturels au maximum de la pleine échelle ne laisse aucune marge et les bruits impulsifs sont écrêtés par le convertisseur avec les désagréments qui en résultent. Le but de l'invention est de pallier les inconvénients précités. A cet effet, I'invention a pour objet, un procédé de linéarisation d'un convertisseur analogique-numérique caractérisé en ce qu'il consiste à ajouter au signal appliqué sur l'entrée du convertisseur un signal brouilleur d'amplitude constante modulé en fréquence par du bruit. Selon une deuxième caractéristique le procédé selon l'invention consiste également à asservir le niveau du brouilleur ajouté sur le signal appliqué à l'entrée du convertisseur de façon que le niveau résultant soit égal à la pleine échelle du convertisseur. L'invention a également pour objet un dispositif pour la mise en oeuvre du procédé précité. Le procédé et le dispositif selon l'invention ont pour avantage o10 d'apporter une solution à la linéarisation des récepteurs numériques lorsque la linéarité dépend de celle du convertisseur analogiquenumérique. Le procédé mis en oeuvre par l'invention a un caractère universel dans la mesure o il peut s'appliquer à toutes sortes de convertisseur analogique- numérique. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront dans la description qui suit faite en regard des dessins annexés qui représentent: La figure 1 une courbe - montrant les fluctuations du niveau d'intermodulation d'ordre 3 en fonction du niveau des tons sans correction par adjonction d'un bruit selon l'art antérieur. La figure 2 une courbe de fluctuation du niveau d'intermodulation d'ordre 3 obtenu en ajoutant au signal appliqué sur l'entrée du convertisseur un bruit hors la bande de fréquence du signal utile selon l'art antérieur. La figure 3 deux courbes représentatives du niveau S.F.D.R en fonction du niveau du signal d'entrée appliqué sur le convertisseur obtenue sans linéarisation ou avec linéarisation selon l'invention. La figure 4 un mode de réalisation d'un dispositif de linéarisation selon l'invention. Pour faire en sorte que la somme des signaux brouilleurs se retrouvent équirépartis sur l'ensemble de l'échelle d'un convertisseur analogiquenumérique afin de lisser les non-linéarités de ce dernier, le procédé selon l'invention consiste à ajouter un brouilleur supplémentaire d'amplitude telle que le niveau du signal utile superposé aux brouilleurs naturels et rajouté au niveau de signal brouilleur ajouté, corresponde à la pleine échelle du convertisseur analogique-numérique. Le spectre du signal brouilleur ajouté est celui d'un bruit blanc ce qui le rend complètement décorrélé, à la fois du signal utile et des brouilleurs naturels, sa largeur étant au moins égale à celle de ces derniers. Cette solution permet de ramener les raies limitant la dynamique de bruit SFDR à un niveau relatif correspondant à celui de la pleine échelle. La dynamique SFDR peut encore être augmentée par effet d'étalement des raies obtenue en élargissant la bande de bruit du brouilleur ajouté. Ceci se paie par une légère remontée du bruit plancher, ce qui n'est pas gênant tant que celui-ci se trouve en dessous du bruit SFDR. Les résultats obtenus seront alors d'autant plus bénéfiques que le niveau du signal du brouilleur ajouté est prépondérant à l'entrée du convertisseur analogique-numérique. Comme il est également nécessaire d'augmenter la dynamique pour des niveaux élevés des brouilleurs naturels et suffisamment élevés au-dessus du bruit du convertisseur analogique numérique il est possible de trouver des niveaux optima pour les deux types de brouilleurs en positionnant la CAG. En prenant par exemple, le cas d'un convertisseur analogique- numérique de 80 dB de dynamique de bruit SFDR et de 68 dB de rapport signal à bruit SNR, échantillonné à 65 MHz, le bruit ramené dans une bande de fréquence de 3 kHz est alors égal à: - 68 -10 LOG [ 0] = -111 dB pleine échelle. Pour des brouilleurs naturels à -20 dB de la pleine échelle (10%) le brouilleur ajouté sera à -1dB de la pleine échelle (80 %). La dynamique (brouilleurs naturels/bruit) sera alors de -20 - (-111)= 91 dB. Pour obtenir ce résultat la bande de fréquence du brouilleur ajouté doit être égale au moins à 10 fois celle du brouilleur naturel. Dans l'hypothèse o la bande du brouilleur naturel est de 3 kHz ce qui correspond à celle de la majorité des signaux d'entrée dans la gamme HF, cela conduit à utiliser un brouilleur ajouté occupant une bande de fréquence de 30 kHz minimum. L'ensemble des considérations précédentes amène le procédé selon l'invention à respecter les trois critères suivants à savoir que: a)- pour travailler en permanence à la pleine échelle du convertisseur analogique-numérique le brouilleur ajouté doit être de préférence asservi sur le niveau provenant de l'entrée du récepteur et ce, avec une bande passante de l'asservissement au moins égale à celle de la modulation, b) le brouilleur ajouté doit être à amplitude constante pour ne pas écrêter sur des pointes de bruit, et diminuer le rapport signal à bruit SNR du convertisseur analogique-numérique ce qui conduit à utiliser une porteuse modulée en fréquence par du bruit blanc, c)- la bande de fréquence du brouilleur ajouté doit être en dehors de la bande utile et suffisamment filtrée pour ne pas déborder sur celle-ci avec un niveau supérieur au bruit du convertisseur analogique numérique, soit à -110 dB dans l'exemple précédent. Les courbes de la figure 3 font apparaître les résultats qui peuvent être obtenus en appliquant le procédé selon l'invention pour la linéarisation d'un convertisseur analogique-numérique du type connu sous la référence AD6640 commercialisé par la société de droit des Etats-Unis, ANALOG DEVICES). Un dispositif pour la mise en ceuvre du procédé selon l'invention respectant les trois critères précédents est représenté sur la figure 4 à l'intérieur d'une ligne fermée en pointillés 1 inséré dans la chaîne de réception d'un récepteur radio entre d'une part, la sortie d'un amplificateur de réception 2 recevant les signaux d'une antenne 3 au travers d'un filtre de bande 4 et d'autre part, d'un convertisseur analogique-numérique 5. Le dispositif 1 comprend un étage brouilleur 6 représenté également à l'intérieur d'une ligne fermée en pointillés, composé d'un générateur de bruit 7, d'un oscillateur à fréquence variable 8 et d'un étage de modulation en amplitude 9. La fréquence de l'oscillateur 8 est modulée en fréquence par le bruit blanc fourni par le générateur de bruit 7, et le niveau du signal résultant fourni par l'oscillateur 8 est modulé en amplitude par l'étage de modulation 9 en fonction du niveau du signal obtenu à la sortie de l'amplificateur de réception 2. Le niveau de sortie de l'amplificateur de réception 2 est appliqué à l'étage de modulation 9 au travers d'une cellule de détection 10 et d'un amplificateur différentiel 11. Un circuit additionneur 12 effectue l'addition du signal obtenu à la sortie de l'amplificateur de réception 2 avec le niveau de bruit modulé par le dispositif de modulation 9 et filtré au travers d'un filtre passe-bas 13 interposé entre la sortie du dispositif de modulation 9 et l'additionneur 12. Suivant un autre mode de réalisation de l'invention il pourra aussi être envisagé de ne pas asservir le brouilleur ajouté en le positionnant seulement par exemple à 30% de la valeur pleine échelle du convertisseur analogique-numérique. La dynamique totale sera alors réduite de 3 dB et le gain en linéarité sera moins important mais cette disposition pourra encore convenir à de nombreux cas. REVENDICATIONS 1- Procédé de linéarisation d'un convertisseur analogique- numérique (5) caractérisé en ce qu'il consiste à ajouter (12) au signal appliqué sur l'entrée du convertisseur (5) un signal brouilleur d'amplitude constante modulé en fréquence par du bruit. 2- Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce qu'il consiste à asservir (11) le niveau du signal brouilleur sur le signal appliqué sur l'entrée du convertisseur de façon que le niveau du signal d'entrée ajouté au niveau du signal brouilleur ajouté soit égal au niveau de signal pleine échelle du convertisseur (5). 3- Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 et 2 caractérisé en ce que la bande de fréquence du signal brouilleur ajouté est situé en dehors de la bande utile du signal appliqué sur l'entrée du convertisseur (5). 4- Dispositif de linéarisation d'un convertisseur analogique- numérique (5) caractérisé en ce qu'il comprend un circuit additionneur (12) couplé par une première entrée à la sortie d'un étage brouilleur (6) recevant sur une deuxième entrée le signal analogique à convertir, et un circuit de commande (11) de l'amplitude du signal de sortie de l'étage brouilleur (6) en fonction de l'amplitude du signal analogique à convertir, pour que le niveau du signal d'entrée ajouté au niveau du signal de sortie de l'étage brouilleur (6) soit égal au niveau de signal pleine échelle du convertisseur- analogique-numérique (5). - Dispositif selon la revendication 4 caractérisé en ce que l'étage brouilleur (6) comprend un générateur de bruit blanc (7), couplé à un étage de modulation (9) au travers d'un oscillateur à fréquence variable (8), en ce que d'une part, I'oscillateur (8) est modulé en fréquence par le bruit blanc fourni par le générateur de bruit (7), et d'autre part, le signal de sortie de l'étage de modulation (9) forme le signal de sortie de l'étage brouilleur (6) et est modulé en amplitude en fonction du niveau du signal d'entrée par le circuit de commande (11). 6- Utilisation du dispositif selon l'une quelconque des revendications 4 et 5 dans la chaîne de réception d'un récepteur radio pour la conversion du signal analogique reçu en un signal numérique.