Brevet FR2810814A1 — publié le 20011228

MODULATEUR FM NUMERIQUE Â FAIBLE COÛT La présente invention concerne de façon genérale la modulation en fréquence, et en particulier la modulation en fréquence d'une porteuse par des signaux audio. La modulation en fréquence (FM) de porteuses par des signaux audio est très répandue. Elle intervient dans domai nes divers, comme la transmission radiofréquence des sons et les cameras vidéo qui émettent par voie hertzienne un signal mixte, audio et vidéo, en direction d'un magnétoscope ou d récepteur de télévision. De façon générale, dans les systèmes de télevision, le signal audio, provenant d'un microphone ou d'un circuit de traitement quelconque est utilisé d'abord pour moduler en fréquence une porteuse de fréquence égale à 4,5, 5,5 6 ou 6,5 MHz selon le standard de télévision souhaité (PAL, NTSC). Le signal FM obtenu est alors ajouté au signal vidéo en bande de base et l'ensemble est utilisé pour moduler une porteuse en vue de 'émission. La figure 1 illustre de manière simplifiée une chaîne de modulation FM audio utilisable dans un tel système. En figure 1, un signal d'entrée audio analogique en bande de base IN, typiquement de fréquence inférieure à 20 kHz, attaque un conver tisseur analogique -numérique (ADC) 2. Le convertisseur 2 fournit un signal audio numérique codé sur 16 bits, échantillonné à une fréquence de l'ordre de 50 kHz. Le signal audio numérique tra verse alors en général un module de commande automatique de gain (AGC) 4, qui écrête d'éventuels pics de signal et augmente le niveau des sons très bas. La sortie du module 4 est reliée à une première borne de sortie OUT 1. La sortie OUT 1 fournit un signal audio numéri que codé sur 16 bits, pouvant être par exemple utilisé à des fins de mixage ou envoyé pour traitement sur le bus USB 'un ordina teur universel. Le signal audio en sortie du module AGC est fourni aussi à un modulateur numérique de fréquence (FM) 6, relié à une deuxième sortie OUT 2. La sortie OUT 2 fournit le signal sou haité, c est-à-dire modulé en fréquence par le signal audio. La figure 2 illustre de manière plus détaillée la chaîne modulation FM de la figure 1. En figure 2, un signal IN attaque un circuit 10 faisant office convertisseur analogique-numérique et assurant la commande automatique du gain. La sortie OUT 1 du circuit 10 fournit un signal audionumérique, codé sur 16 bits ici à la fréquence de 52,6 kHz. Le circuit 10 est relié, l'inter médiaire de divers modules de traitement, à modulateur numérique FM proprement dit 30 qui fournit, sur la sortie OUT 2, une porteuse modulée en fréquence par le signal audio. Le circuit 10 comporte un modulateur delta-sigma 11, qui transforme le signal analogique d'entrée un signal codé sur un bit à une fréquence d'échantillonnage, ici égale à 6,75 MHz. Ce signal attaque un filtre en peigne 12 (COMB) suivi d'un décimateur 13. Le filtre en peigne agit comme un filtre passe-bas et permet un sous-échantillonnage du signal. Le déci- mateur 13 est un décimateur par seize. Le décimateur 13 remplace seize échantillons successifs du signal par un seul échantillon, de valeur égale à la somme des valeurs des échantillons rempla cés. Ainsi, en sortie du décimateur 13, la fréquence est égale à 421 kHz (6,75 MHz divisés par 16), et le signal est codé sur seize bits. Ensuite, le signal traverse un module de commande auto- matique de gain (AGC) 14, de même fonction que le module 4 de la figure 1. Puis, le signal traverse un filtre à réponse impul- sionnelle finie (FIR) 15, suivi d'un décimateur par quatre 17. A la sortie du décimateur 17, le signal est échantillonné à une fréquence de 421 kHz divisée par quatre, soit 105 kHz environ. Le signal, toujours sur 16 bits, traverse alors un deuxième filtre à réponse impulsionnelle finie (FIR) 18 et un décimateur par deux 19. A la sortie du décimateur 19, le signal est échantillonné à 52 6 kHz environ. Il est codé sur 16 bits et alimente la sortie 1. Les filtres 15 et 18 font office de filtres passe-bas. Ce sont des filtres à flancs raides, qui permettent les sous- echantillonnages 17 et 19. Le signal de sortie du circuit 10 traverse un filtre 'accentuation (PREEMP FILT) 22. Ce filtre est destiné à accen tuer les fréquences hautes du signal audio en vue d'une transmission conjointe avec le signal vidéo (en réception, un filtre de désaccentuation, symétrique du filtre d'accentuation, utilisé pour restituer les fréquences audio originelles). Puis, le signal traverse un module multiplicateur de gain 23. Le module 23 multiplie le signal par une constante G et vise à établir une amplitude du signal audio appropriée aux normes du standard de transmission souhaité. Ensuite, le signal traverse un sur-échantillonneur 26 suivi d'un filtre en peigne (COMB) 28. Le sur-échantillonneur 26 multiplie le nombre des échantillons par 512. I1 fonctionne de façon classique en insérant zéros, ici 511, entre deux échantillons, et l'ensemble est lissé par le filtre 28, faisant office de filtre passe-bas. sortie du filtre 28, le signal, toujours codé sur 16 bits est échan tillonné à une fréquence de 27 MHz (512 fois 52,6 ). Le signal attaque alors le modulateur FM proprement dit 30. Le modulateur comporte de façon classique une boucle de phase formée d'un additionneur 32 et d'un registre à décalage (REG) 33. L'additionneur 32 a trois entrées. Sur une première entrée, il reçoit le signal audio codé sur 16 bits. Sur une deuxième entrée, il reçoit une constante P0, codée sur 25 bits. Sur une troisième entrée, il reçoit la sortie du registre à décalage 33, sur 25 bits également. La sortie de l'additionneur 32 est connectée à l'entrée du registre à décalage 33. Le registre 33 est piloté par une horloge de fréquence FS égale à 27 MHz. La sortie du registre 33 est connectée à un module de mise en forme sinusoïdale (LUT) 34. Le module 34 est constitué d'une table ("Look-Up Table", en anglais), qui retient en entrée les 12 bits de poids les plus forts parmi les 25 bits de sortie du registre 33. La table fournit, sur la sortie OUT 2, un signal sinusoïdal corres pondant à une porteuse modulée en fréquence par le signal audio d'entrée. Le fonctionnement du modulateur 30 est le suivant. Le registre à décalage 33 est un registre de 25 bits fournissant en sortie un nombre compris entre 0 et (225 - 1). Supposons dans un premier temps que le signal audio soit absent. A chaque coup d'horloge, la sortie REG' du registre 33 est REG' = REG + PO (modulo 25), REG étant la sortie du registre au coup d'horloge précédent. REG' décrit une rampe d'amplitude comprise entre 0 et (225 - 1). La fréquence de cette rampe est une fréquence FO égale à FS.PO/225. Le choix de la constante PO fixe la fréquence de la porteuse du modulateur 30. Par exemple, une constante PO égale à 6835162 fournira une porteuse de fré quence FO égale à 5,5 MHz. La rampe produite peut être aisément transformée en un signal sinusoïdal par le module 34, la phase du signal sinusoïdal produit étant proportionnelle au signal de sortie du registre 33. Lorsqu'un signal audio est présent, ses 16 bits sont alignés sur les 16 bits de poids les plus forts parmi les 25 bits de l'additionneur. Le signal audio est ajouté à la constante P0, et l'on obtient en sortie du registre 33 une rampe dont la fré quence oscille en fonction du signal audio autour d'une fréquence centrale fixée par P0. Comme le signal audio est échantillonné à la fréquence de 27 MHz, la valeur en sortie du registre à déca lage change à chaque coup de l'horloge CK. Si le signal audio était échantillonné à une fréquence inférieure, il resterait constant pendant plusieurs coups d'horloge et l'on obtiendrait en sortie un signal dont la fréquence varierait par paliers, ce qui n'est pas souhaitable. module 34 reçoit ensuite la rampe en sortie du registre et fournit sur la sortie OUT 2 un signal correspondant à une porteuse de fréquence FO modulée par le signal audio d'entrée. La chaîne de modulation de la figure 2 présente de nom breux inconvénients. Par exemple, modulateur 30 est volumineux et relati- vement coûteux. Le registre à décalage occupe en effet une place non négligeable dans circuit, de même que l'additionneur. Le bus qui relie la sortie du registre à décalage à l'entrée de l'additionneur est également volumineux. Par ailleurs pour amener le signal audio à la fré quence de fonctionnement modulateur, l'art antérieur prévoit un interpolateur qui multiplie la fréquence des échantillons par 512. Cet interpolateur est un composant coûteux et volu mineux. Aussi, les filtres à réponse impulsionnelle finie 15 et 18 sont des éléments couteux. Un objet de présente invention est de prévoir un modulateur FM numérique soit plus simple, de taille plus réduite et moins coûteux dans l'art antérieur. Un autre obj la présente invention est de simpli fier le traitement du signal en amont du modulateur, en prévoyant une chaîne de modulation plus simple, moins volumineuse et moins coûteuse que dans l'art antérieur. Pour atteindre ces objets ainsi que d'autres, la pré sente invention prévoit un modulateur pour réaliser une modulation de fréquence à l'aide d'un signal numérique d'entrée codé sur un premier nombre prédéterminé de bits et échantillonné à une première fréquence. Le modulateur comporte un module de mise en forme de bruit recevant signal d'entrée et fournissant, à partir de celui-ci, un signal ' sur un bit, une boucle de phase comportant un additionneur un registre à décalage, l'additionneur recevant ledit signal codé sur un bit, la sortie du registre à décalage, et une constante, le registre à décalage recevant la sortie de l'additionneur et un module de mise en forme sinusoïdale couplé à sor tie du registre à décalage pour fournir un signal modulé en fréquence par le signal d'entrée. Selon un mode de réalisation de la présente invention, registre à décalage est piloté par une horloge présentant une fréquence de pilotage élevée et dans lequel ladite première fréquence est égale à la fréquence de pilotage. Selon un mode de réalisation de la présente invention, fréquence de pilotage est égale à 27 MHz. Selon un mode de réalisation de la présente invention, registre à décalage est un registre de 14 bits. Selon un mode de réalisation de la présente invention, ledit signal d'entrée est un signal audio. La présente invention prévoit aussi une chaîne de modu lation FM comprenant un modulateur tel que décrit précédemment, un module d'accentuation pour accentuer les fréquences hautes d'un signal numérique codé sur un deuxième nombre prédé- terminé de bits échantillonné à une deuxième fréquence inférieure à première fréquence d'échantillonnage, un module à gain variable, et un interpolateur pour d'une part transformer la deuxième fréquence du signal en la première fréquence et autre faire passer du deuxième nombre prédéterminé au premier nombre prédéterminé le nombre de bits du signal codé le deuxième nombre prédéterminé de bits, le module d'accentuation, le module à gain variable et l'interpolateur étant connectés dans cet ordre et la sortie de l'interpolateur étant reliée au module de mise en forme de bruit (41) modulateur. Selon un mode de réalisation de la présente invention, l'interpolateur comprend un sur-échantillonneur suivi 'un filtre en peigne. Selon un mode de réalisation de la présente invention, la deuxième fréquence est égale à 421 kHz et l'interpolateur réalise une interpolation par 64. Selon un mode de réalisation de la présente invention, la chaire de modulation comporte en outre un module pour convertir un signal audio analogique d'entrée en un signal numérique codé sur le deuxieme nombre prédéterminé de bits à la deuxième fréquence d'échantillonnage, un module de commande automatique de gain relié au module d'accentuation, et une sortie disposée entre le module de commande auto- matique de gain et le module d'accentuation, pour fournir un signal numérique codé sur le deuxième nombre prédéterminé de bits échantillonné à ladite deuxième fréquence. Selon un mode de réalisation de la présente invention, les premier et deuxième nombres prédéterminés sont tous deux égaux a 16. 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, déjà décrite, illustre un schéma prin cipe d'une chaîne de modulation FM pour un signal audio la figure 2, déjà décrite, illustre plus en détail la chaîne de modulation de la figure 1, et la figure 3 illustre une chaîne de modulation FM selon la présente invention. En figure 3, des éléments similaires à ceux de fi- 2 sont désignés par les mêmes références. Un signal d'entrée audio analogique, Audio IN, attaque un modulateur AZ 11 suivi 'un filtre en peigne 12 et d'un décimateur 13. Comme en figure 2 le modulateur M fournit un signal codé sur un bit echan- tillonné à une fréquence F's égale à 6,75 MHz. Le signal en sortie du décimateur 13 est un signal codé sur 16 bits echan- tillonné à 421 kHz. Le signal traverse ensuite un module de commande automatique de gain (AGC) 14 relié à une première sortie 1. La sortie OUT 1 fournit, dans la présente invention, un signal audionumérique codé sur 16 bits, échantillonné à la fréquence de 421 kHz. En effet, un traitement externe du signal audio peut être fait à la fréquence de 421 kHz au lieu d'environ Le fait de fournir à la sortie OUT 1 un signal numé rique à 421 kHz simplifie notablement la chaîne de modulation. Ainsi par rapport à la chaîne classique décrite précédemment, filtres 15 et 16, ainsi que les décimateurs 17 et 19, ne sont plus utilisés. La suppression des filtres 15 et 16 est particulièrement avantageuse, car, ces filtres nécessitant des flancs très raides, ils sont usuellement réalisés sous forme de filtres à réponse impulsionnelle finie, à prix de revient élevé. Le signal en sortie du module 14 attaque un filtre 'accentuation 22 suivi d'un module de gain 23. Ces éléments ont le même rôle qu'en figure 2, mais ils opèrent sur un signal échantillonné à la fréquence de 421 kHz, ce qui s'effectue sans difficulté particulière. En sortie du module 23, le signal est codé sur 16 bits et présente une fréquence d'échan tillonnage de 421 kHz. Le signal attaque alors un sur-échantillonneur 27 suivi d'un filtre en peigne 29. Le sur-échantillonneur 27 multiplie le nombre des échantillons par 64. Le filtre 29 fait office de filtre passe-bas et lisse le signal en sortie du sur- échantillonneur. La sortie du filtre 29 fournit un signal audio numérique codé sur 16 bits, échantillonné la fréquence de 27 MHz. Les éléments 27 et 28 constituent un interpolateur. Cet interpolateur est un interpolateur par 64. Par conséquent, il est beaucoup plus simple à réaliser que l'interpolateur par 512 de la figure 2. I1 est aussi moins volumineux et a un prix de revient moins élevé. Ensuite, le signal entre dans le modulateur FM propre- ment dit 40. Le modulateur 40 comporte une boucle de phase formée par un additionneur à trois entrées 42 et un registre à décalage 43. La boucle de phase est suivie d'un module de mise en forme sinusoïdale 34. Les éléments 42, 43 et 34 ont la même fonction et sont connectés de la même manière qu'en figure 2. Cependant, selon la présente invention, la boucle de phase n'est pas attaquée direc- tement par un signal codé sur 16 bits. En effet, le signal en sortie du module 29 attaque un module de mise en forme de bruit (NOISE SHAPER) 41. Le module 41 effectue une mise en forme du signal audio et transforme le signal codé sur 16 bits, échantillonné à la fréquence de 27 MHz, en un signal de même fréquence, codé sur un bit. Le signal en sortie du module 41 se présente sous la forme d'une suite de "1" et de "0". Par exemple, si l'amplitude du signal d'entrée est proche de zéro, le module 41 fournira des échantillons successivement égaux à 1" et de "0", à la cadence de 27 MHz. Si l'amplitude du signal est grande, le module 41 fournira une grande suite de "1", suivie d'un très petit nombre de "0", voire d'un seul. I1 n'y a pas de perte d'information car la bande utile du signal audio (typiquement inférieure à 20 kHz) est très inférieure à la fréquence d'échantillonnage (27 MHz). Le bruit de quantification introduit par le module 41 est, comme cela est connu dans les circuits de mise en forme de bruit, rejeté vers les fréquences hautes, à l'extérieur de la bande utile du signal. Les modules de mise en forme de bruit ("Noise shaper" en anglais) sont de types variés. Par exemple, le module 41 pourra être un modulateur delta-sigma, comportant une boucle formée d intégrateur, d'un quantificateur et d'un soustrac- teur. 'introduction du module 41 est très avantageuse. En effet, le signal audio arrivant à l'entrée l'additionneur 42 n'est plus codé sur 16 bits mais sur un bit seulement. Pour avoir la précision nécessaire, la boucle de phase n a dans ce cas pas besoin de fonctionner avec 25 bits. Des essais réalisés par la demanderesse ont montré que, selon les standards, 12 à 14 bits étaient suffisants pour obtenir une modulation en fréquence adéquate. Dans l'exemple représenté en figure , 14 bits ont été choisis. Ainsi, les trois entrées de l'additionneur 42 reçoivent respectivement une constante PO codée sur 14 bits, le signal de sortie registre de décalage 43 codé sur 14 bits et le signal de sortie module 41, dont le bit unique est aligné sur le bit de poids plus fort des deux signaux précédents. registre à décalage 43, piloté à une cadence FS égale à 27 NHz par une horloge de pilotage CK, comme en figure 2, reçoit et fournit des signaux codés sur 14 bits. La rampe qu'il fournit en sortie a une amplitude comprise entre 0 et (214 - 1) et une fréquence qui oscille autour d'une fréquence centrale fixée par la constante P0. Le fait que la boucle de phase fonctionne avec 14 bits seulement implique que les éléments 42 et 43 sont plus simples, moins volumineux et moins coûteux. Aussi, les bus reliant ces éléments sont moins larges et présentent par conséquent aussi les avantages précédents. La sortie du registre 43 est reliée à un module de mise en forme sinusoïdale 34. Le module 34 prélève les 12 bits de poids plus forts du signal qui lui est fourni. I1 produit, sur la sortie OUT 2, une porteuse de fréquence souhaitée modulée en fréquence par le signal audio. On notera que l'introduction du module 41 ne diminue pas performances et la qualité de la modulation FM obtenue. Ainsi, l'invention permet un moindre coût du modulateur, ainsi qu'une simplification de la chaîne de modulation. On notera aussi que la chaîne de modulation de la pré sente invention a une consommation moins élevée que dans l'art antérieur. On notera en outre que le circuit de la figure 3 est un circuit multi-standard permettant de s'adapter sans difficulté à tout standard de modulation souhaité. En effet, une simple modi fication des constantes Po et G permet de modifier la fréquence de la porteuse et son excursion maximale en fréquence pour obte nir des valeurs souhaitées. Bien entendu, la présente invention est susceptible de diverses variantes et modifications qui apparaîtront à l'homme de l'art. Ainsi, l'invention a été décrite dans le cadre de la modulation FM d'une porteuse par des sons liés un signal vidéo. La porteuse pourrait être modulée par des sons non associés à un signal vidéo ou par des signaux qui ne sont pas des signaux audio. Aussi, les valeurs des fréquences sont données à titre indicatif et peuvent être modifiées. En particulier, la fréquence de pilotage du registre 43 (FS) pourra être de toute valeur satisfai sant le critère de Nyquist, c'est-à-dire égale à au moins deux fois la fréquence maximale présente sur la sortie OUT 2. La fréquence en sortie du module 11 (FS ') sera de préférence égale à FS/4, ce qui ne modifie pas les rapports d'échantillonnage du décimateur 13 et du sur-échantillonneur 64, mais l'homme du métier pourra choisir une fréquence FS' différente de FS/4 et adapter le circuit en conséquence. On notera également que le nombre de bits présentés par le signal dans la chaîne de modulation, en particulier sur la sortie OUT 1, peut être différent de 16, et égal par exemple à 12. De façon générale, le signal peut être codé sur n bits à la sortie du filtre 29 et sur n' bits à la sortie du décimateur 13 (n' supérieur ou inférieur à n), ces modifications étant à la portée de l'homme de l'art. REVENDICATIONS 1. Modulateur (40) pour réaliser une modulation de fré quence à 'aide d'un signal numérique d'entrée codé sur un premier nombre prédéterminé (n) de bits et échantillonné à une première fréquence, comportant module de mise en forme de bruit (41) recevant le signal d'entrée et fournissant, à partir de celui-ci, un signal codé sur bit, une boucle de phase comportant un additionneur (42) et un registre à décalage (43), l'additionneur recevant ledit signal codé sur un bit, la sortie du registre à décalage, et une constante (PO), le registre à décalage recevant la sortie de l'additionneur, et un module de mise en forme sinusoïdale (34) couplé à la sortie du registre à décalage pour fournir un signal modulé en fréquence par le signal d'entrée. 2. Modulateur selon la revendication 1, dans lequel le registre à décalage est piloté par une horloge présentant une fréquence de pilotage élevée (Fg) et dans lequel ladite première fréquence est égale à la fréquence de pilotage (FS). 3. Modulateur selon la revendication 2, lequel la fréquence de pilotage est égale à 27 MHz. 4. Modulateur selon la revendication 2, lequel le registre à décalage est un registre de 14 bits. 5. Modulateur selon une des revendications à 4, dans lequel ledit signal d'entrée est un signal audio. 6. Chaîne de modulation FM comprenant un modulateur (40) selon une des revendications 1 à 5, un module d'accentuation (22) pour accentuer les fré quences hautes d'un signal numérique codé sur un deuxième nombre prédéterminé (n') de bits échantillonné à une deuxième fréquence inférieure à la première fréquence d'échantillonnage, un module à gain variable (23), et un interpolateur (27, 29) pour d'une part transformer la deuxième fréquence du signal en la première fréquence et d'autre part faire passer du deuxième nombre prédéterminé (n') au premier nombre prédéterminé (n) le nombre de bits du signal codé sur deuxième nombre prédéterminé (n') de bits, le module d'accentuation, le module à gain variable et l'interpolateur étant connectés dans cet ordre et 1a sortie de l'interpolateur étant reliée au module de mise en forme de bruit (41) modulateur (40). 7. Chaîne de modulation selon la revendication 6, dans lequel l'interpolateur comprend un sur-échantillonneur (27) suivi d'un filtre en peigne (29). 8. Chaîne de modulation selon la revendication 6 dans lequel la deuxième fréquence est égale à 421 kHz et dans lequel l'interpolateur réalise une interpolation par 64. 9. Chaîne de modulation selon la revendication 6, comportant en outre un module (11, 12, 13) pour convertir un signal audio analogique d'entrée en un signal numérique codé sur le deuxième nombre prédéterminé (n') de bits à la deuxième fréquence d'echan- tillonnage, un module de commande automatique de gain (14) relié au module 'accentuation (22), et une sortie (OUT 1) disposée entre le module de commande automatique de gain et le module d'accentuation, pour fournir un signal numérique codé sur le deuxième nombre prédéterminé ') de bits échantillonné à ladite deuxième fréquence. 10. Chaîne de modulation selon une des revendications 6 â 9, lequel les premier (n) et deuxième (n) nombres prédéterminés sont tous deux égaux à 16.