Brevet FR2844934A1 — publié le 20040326

DISPOSITIF ET PROCEDE DE FILTRAGE A ATTENUATION HORS BANDE L'invention concerne un dispositif et un procédé de filtrage à atténuation hors bande. Le domaine de l'invention est celui du filtrage hors bande utilisé notamment pour la réception de radiocommunications par satellite. On a illustré figure 1 le problème du filtrage d'un signal utile Su centré sur une fréquence f0 que l'on souhaite isoler de signaux perturbateurs Sp plus puissants ou filtrer, sans que ce filtrage n'atténue trop le rapport signal sur bruit du signal Su. Dans le cas d'un récepteur de type GNSS (acronyme anglosaxon 10 de Global Navigation Satellite System), on a typiquement les valeurs suivantes: - un signal utile Su émis par un satellite avec une puissance d'émission d'environ 10 à 20 W, centré sur des fréquences en bande L (par exemple pour le GPS, L1 =1575.42 MHz, L2=1227.6 MHz, L5=1176.45 MHz), 15 et avec une bande passante variant entre environ 1 et 20 MHz (2 MHz par exemple pour le GPS Ll, ou 20 MHz par exemple pour L5), dont la puissance à la réception après un parcours d'environ 20 000 km est d'environ - 154 dBW, des signaux perturbateurs Sp hors bande, tels que, pour la 20 fréquence L5, des signaux pulsés émis par exemple par des balises DME acronyme anglo-saxon de " Distance Measuring Equipment " distantes de quelques kilomètres, d'une puissance d'émission d'environ 15 kW, centré sur des fréquences voisines de f0 comprise entre 960 et 1215 MHz, la puissance de réception de ces signaux perturbateurs pouvant atteindre - 60 dBW à 25 3000 pieds, ou tels que des signaux radars pulsés émis à quelques kilomètres avec une puissance d'émission d'environ 10 MW, centré sur des fréquences voisines de fa comme par exemple 1215 MHz. On peut également citer l'exemple du signal utile Su en provenance d'un satellite du système GLONASS, d'une puissance 30 d'émission d'environ 10 à 20 W parcourant environ 20 000 km, centré sur la fréquence fo=1602 MHz, avec une bande passante d'environ 20 MHz, et de signaux perturbateurs tels qu'un signal de 5 à 10 W, en provenance d'un radiotéléphone cellulaire, centré sur la fréquence 1610 MHz. On souhaite obtenir à ces fréquences, une atténuation ou réjection hors bande d'environ 60-70 dB. Une solution consiste à filtrer un signal Sp au moyen d'un filtre classique céramique ou de type LC (comprenant une inductance L et une 5 capacité C) et d'un filtre à ondes de surface dont les caractéristiques sont respectivement représentées figures 2 et 3, les filtres étant reliés entre eux par un amplificateur. Comme représenté figure 2, un filtre FLC céramique ou de type LC présente une atténuation progressive voire lente pour les fréquences 10 proches de f0 et plus faible mais non nulle pour les fréquences lointaines. Un filtre à 10 pôles permet par exemple d'obtenir une atténuation ou réjection d'environ 60 dB sur une largeur de bande BW, ce qui ne permet que d'atténuer légèrement un signal perturbateur proche. Comme représenté figure 3, un filtre Fsaw de type à ondes de 15 surface présente une atténuation très rapide pour les fréquences proches de fo et mais n'atténue quasiment pas les fréquences lointaines. Un filtre à ondes de surface permet par exemple d'obtenir une atténuation d'environ 40 à 50 dB sur une largeur de bande égale à environ 10% de BW. On a représenté figure 4 l'évolution d'un signal utile Su et d'un 20 signal perturbateur Sp de forte puissance par rapport à Su, au fur et à mesure de leur progression dans un dispositif de filtrage. Sp qui comporte par exemple deux impulsions proches en fréquence et Su sont les signaux reçus par l'antenne Ant du récepteur qui comprend ce dispositif de filtrage. On a représenté sur la figure une antenne passive; une antenne active comportant en outre un amplificateur peut bien sr être utilisée. Ce dispositif de filtrage comporte en entrée un élément classique FLC comprenant un amplificateur à faible bruit et un mixeur ayant pour fonction de changer la fréquence de l'ordre de 1500 MHz du signal reçu en 30 une fréquence intermédiaire comprise entre 30 et 200 MHz. L'amplificateur à faible bruit est de manière habituelle monté entre deux filtres céramique. Comme on considère plus particulièrement dans la suite la fonction de filtrage de cet élément classique, on le désigne par filtre FLC pour simplifier. A la suite du premier filtrage par le filtre FLC centré sur la fréquence f0 de Su, le double signal perturbateur Sp qui est centré sur une fréquence éloignée de BW de f0, n'est que légèrement atténué. L'élément suivant du dispositif est l'amplificateur Amp. On a 5 représenté figure 5 la puissance de sortie Ps en fonction de la puissance d'entrée Pe pour un amplificateur dont le gain est représenté par la pente de la partie linéaire de la courbe. Lorsque la puissance Pe du signal d'entrée est telle que sa puissance de sortie Ps est supérieure à une puissance seuil désignée point de compression Pc, l'amplificateur sature. Il en résulte que lorsque le signal d'entrée comporte un signal utile dont la puissance de sortie Pu est inférieure à Pc et un signal perturbateur dont la puissance de sortie Pp est supérieure à Pc, ce qui est généralement le cas lorsque les puissances Pu et Pp sont respectivement de -150 dBW et de -60 dBW voire plus, l'amplificateur sature et le signal utile, 15 obtenu en sortie de l'amplificateur est très dégradé voire noyé dans le bruit comme illustré sur la figure 4; un amplificateur acceptant de fortes puissances, c'est-à-dire présentant un point de compression Pc élevé peut être utilisé, mais au détriment de son cot. En outre dans le cas d'un signal d'entrée perturbateur comportant 20 deux impulsions proches en fréquence, et dont la puissance de sortie est supérieure à une puissance seuil IP, dénommée point d'intermodulation, l'amplificateur génère alors indépendamment de son point de compression Pc, des signaux perturbateurs supplémentaires dénommés produits d'intermodulation représentés figure 4 sous les références Sp, et Sp. Il existe des points d'intermodulation d'ordre 3, 5,.... Dans la suite on considérera des points d'intermodulation d'ordre 3, mais cela est valable pour les ordres supérieurs. Ces signaux Su, Sp' Sp, et Sp- sont ensuite filtrés par le filtre Fsaw en sortie duquel, le double signal perturbateur Sp est filtré mais pas les 30 produits d'intermodulation Sp, et Sp- ni le signal utile Su qui reste noyé dans le bruit. Finalement, dans le cas d'un signal perturbateur de forte puissance par rapport à celle du signal utile et comportant éventuellement deux impulsions proches en fréquence, la solution consistant à filtrer le signal 35 utile au moyen d'un filtre classique de type LC et d'un filtre à ondes de surface reliés entre eux par un amplificateur, ne permet pas d'obtenir de bons résultats. Un but important de l'invention est donc de permettre de filtrer un signal utile notamment en présence d'un signal perturbateur tel que décrit précédemment. Pour atteindre ces buts, l'invention propose un dispositif de filtrage à atténuation hors bande, principalement caractérisé en ce qu'il comporte montés en série au moins deux filtres à sélectivité proche présentant chacun une perte d'insertion et une atténuation prédéterminées, chaque filtre étant 10 monté en série avec un amplificateur et en ce que le gain de l'amplificateur est adapté à la perte d'insertion et à l'atténuation du filtre auquel il est associé. Un tel dispositif de filtrage permet ainsi d'atténuer un signal perturbateur très puissant hors bande, mais proche de la bande, sans 15 diminuer le rapport signal sur bruit du signal utile centré dans la bande, ni créer de signaux perturbateurs supplémentaires. Selon une caractéristique de l'invention, il comporte en outre monté en série avec les filtres à sélectivité proche et les amplificateurs, au moins un filtre à sélectivité lointaine. L'invention concerne également un récepteur d'un système de radiocommunications par satellite, comprenant un dispositif de filtrage tel que décrit. L'invention a enfin pour objet un procédé de filtrage à atténuation de signaux perturbateurs hors bande, caractérisé en ce qu'il consiste à 25 utiliser un dispositif de filtrage comportant au moins deux filtres à sélectivité proche, chaque filtre à sélectivité proche étant associé à un amplificateur, et à adapter le gain de chaque amplificateur à la perte d'insertion et à l'atténuation du filtre à sélectivité proche auquel il est associé. Selon une caractéristique de l'invention, pour chaque 30 amplificateur, le gain est compris entre la perte d'insertion et la perte d'insertion plus l'atténuation du filtre auquel l'amplificateur est associé. La bande peut être centrée sur la fréquence fO égale à environ 1176 MHz ou 1602 MHz ou 1575 MHz ou 1207 MHz ou 1227 MHz. Le procédé s'applique notamment pour une atténuation supérieure 35 à 70 dB aux fréquences proches. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui suit, faite à titre d'exemple non limitatif et en référence aux dessins annexés dans lesquels la figure 1 déjà décrite représente schématiquement en fonction de la fréquence, la puissance d'un signal utile Su centré sur une fréquence fo que l'on souhaite isoler de signaux perturbateurs Sp hors bande, la figure 2 déjà décrite représente schématiquement en fonction de la fréquence, les caractéristiques de filtrage (en l'occurrence l'atténuation 10 A) d'un filtre FLC classique de type LC, la figure 3 déjà décrite représente schématiquement en fonction de la fréquence, les caractéristiques de filtrage (en l'occurrence l'atténuation A) d'un filtre Fsaw à ondes de surface, la figure 4 déjà décrite représente schématiquement un dispositif 15 de filtrage selon l'état de la technique et l'effet des éléments de ce dispositif sur les signaux Su et Sp, la figure 5 déjà décrite représente schématiquement pour un amplificateur la puissance de sortie Ps en fonction de la puissance d'entrée Pe, la figure 6 représente schématiquement en fonction de la fréquence, les caractéristiques de filtrage (en l'occurrence l'atténuation A) d'un dispositif de filtrage selon l'invention comportant un filtre FLC classique de type LC et deux filtres Fsawi et Fsaw2 à ondes de surface, la figure 7 représente schématiquement un mode de réalisation 25 particulier d'un dispositif de filtrage selon l'invention et l'effet des éléments de ce dispositif sur les signaux Su et Sp, les figures 8, 9 et 9bis représentent schématiquement respectivement d'autres modes de réalisation de l'invention, la figure 10 représente schématiquement en fonction de la 30 fréquence, les caractéristiques de filtrage (en l'occurrence l'atténuation A) d'un dispositif de filtrage selon l'invention comportant un filtre Fcer classique et trois filtres Fsawl, Fsaw2 et Fsaw3 à ondes de surface. Le dispositif de filtrage selon l'invention comporte au moins deux filtres à sélectivité proche tels que des filtres à ondes de surface. Dans la suite on considérera par exemple que le dispositif comporte deux filtres à ondes de surface. Un tel dispositif permet ainsi d'obtenir une bonne sélectivité aux fréquences proches. Ces filtres présentent chacun une perte d'insertion; la perte est par exemple de l'ordre de 20 dB pour un filtre de bande passante de l'ordre de 20 MHz et de cot raisonnable. Aussi, chaque filtre est-il associé de façon 10 classique à un amplificateur ayant pour fonction d'amplifier les signaux et de compenser la perte d'insertion du filtre à ondes de surface. L'amplificateur peut être placé avant ou après le filtre. Pour qu'un amplificateur ne sature pas c'est-à-dire ne dégrade pas le signal utile, ni ne génère éventuellement de produits d'intermodulation, 1 5 il faut que la puissance de sortie du signal perturbateur n'excède pas une puissance limite égale au minimum entre Pc et IP. Lorsque la probabilité que le signal perturbateur comporte deux impulsions très proches, est quasi nulle, on peut considérer que la puissance limite est égale à Pc. La puissance limite, le gain et le facteur de bruit de l'amplificateur 20 peuvent être adaptés en fonction des besoins. En diminuant par exemple le gain, le point de compression est également abaissé et donc la puissance d'entrée correspondante est augmentée: l'amplificateur supporte alors des puissances d'entrée supérieures avant de saturer. Selon l'invention, un amplificateur est associé à chaque filtre à 25 ondes de surface. Le gain G de l'amplificateur est adapté de façon à ce que sa puissance de sortie limite ne soit pas dépassée, notamment dans le cas de signaux perturbateurs dont la puissance peut atteindre -60 dBW à 3000 pieds. Il faut donc qu'en sortie de l'amplificateur, on ait: Sp-in + G placé devant l'amplificateur). Compte tenu de la perte d'insertion du filtre à ondes de surface, cela revient à adapter le gain de la manière suivante: perte d'insertion du filtre peut être placé avant, après ou entre les filtres à ondes de surface. On a représenté figure 6 les caractéristiques de filtrage d'un tel 10 dispositif: le premier filtre à ondes de surface permet d'atténuer le signal d'environ 40 à 50 dB aux fréquences proches, le second de l'atténuer d'environ 40 à 50 dB supplémentaires aux mêmes fréquences et le filtre classique permet d'atténuer le signal aux fréquences lointaines. On a représenté figure 7 un mode de réalisation particulier d'un 15 dispositif de filtrage selon l'invention. Ce dispositif comporte en entrée les mêmes éléments que ceux décrits en relation avec la figure 4, c'est-à-dire une antenne A reliée à un élément classique désigné FLC pour simplifier, comprenant montés en série un premier filtre céramique Fcerl, un amplificateur Ampl, un deuxième filtre 20 céramique Fcer2, un mixeur M. L'élément FLc est relié à un deuxième amplificateur Amp2 relié à un premier filtre à ondes de surface Fsawi relié à un troisième amplificateur Amp3 relié à un deuxième filtre à ondes de surface Fsaw2 relié à un quatrième amplificateur Amp4. Afin de faciliter la production des dispositifs selon l'invention, on 25 choisit de préférence des filtres à ondes de surface identiques. On va à présent donner des exemples de valeurs pour le dispositif de filtrage de la figure 7, utilisé par exemple à bord d'un avion. Le facteur de bruit total FBtotal est donné par la formule: FBtotal = FBanilp FBanip2 1 +FBsawl 1 + FBanp3 - 1 Bto0al Balilpl G anip] G anipl G anip2 G anipl G anip2 G sawl +, FBsawv2 -1 FBanip4 1 Gj amipl G anp2 G sawl G amp3 G allipl G almlp2 G sawl G amiip3 G saw2 FBampl, FBamp2, FBamp3, FBamp4, FBsawl, FBsaw2 sont respectivement les facteurs de bruit des amplificateurs 1, 2, 3 et 4, et des filtres à ondes de surface 1 et 2; Gampi, Gamp2, Gamp3, Gamp4, Gsawl, Gsaw2 sont respectivement les gains des amplificateurs 1, 2, 3 et 4, et des filtres à ondes de surface 1 et 2. On a typiquement les valeurs suivantes FBampl + FBcerl = FBamp3 = FBamp4 = 2 dB FBamp2 + FBcer2 + FBmixer = 10 dB FBsawl = - Gsawl = FBsaw2 = - Gsaw2 = 20 dB 10 Gamp2= 7 dB Gamp3 = Gamp4 = 30 dB Gsawi = Gsaw2 = - 20 dB Les gains de - 20 dB des filtres à ondes de surface 1 et 2 15 représentent leur perte d'insertion. On obtient avec ces valeurs un facteur de bruit total FBtotal de 3.6 dB. On rappelle que dans le domaine du GPS utilisé en aéronautique, il faut que le facteur de bruit total soit inférieur à 4 dB. On remarque que les gains de 30 dB des amplificateurs 3 et 4 20 sont effectivement compris entre 20 dB ( = perte d'insertion de Fsawi ou Fsaw2) et 20+40 dB ( = perte d'insertion + atténuation de Fsawl ou Fsaw2) On va à présent considérer le cas d'un signal perturbateur à une seule fréquence. Pour chaque amplificateur, la puissance limite ne dépend alors que du point de compression Pc. Compte tenu des gains des amplificateurs, les points de compression Pc des amplificateurs sont: Pcampl = - 42 dBW, Pcamp2 = - 35 dBW, Pcamp3 = dBW et Pcamp4 = - 15 dBW. Avec un bruit thermique d'une puissance de l'ordre de - 130 dBW, 30 un tel dispositif de filtrage permet d'atténuer un signal perturbateur Sp à une seule fréquence d'une puissance supérieure d'environ 70 dB au bruit thermique c'est-à-dire pouvant atteindre jusqu'à - 60 dBW. Dans le cas d'un signal perturbateur Sp à deux impulsions proches en fréquence, la puissance limite de chaque amplificateur est 35 déterminée en fonction de IP. Pour que les produits d'intermodulation dans la bande Sp, et Sp, aient une puissance inférieure ou égale au bruit thermique de - 130 dBW, il faut que l'IP en entrée, dénommé IIP (acronyme anglo-saxon de Input Intermodulation Point) soit égal à -25 dBW. Compte tenu des gains des amplificateurs, les points d'intermodulation IP des amplificateurs sont: IPampi = -7 dBW IPamp2 = 0 dBW IPamp3 = - 30 dBW IPamp4 = - 60 dBW Avec un bruit thermique d'une puissance de l'ordre de - 130 dBW, un tel dispositif de filtrage permet d'atténuer un signal perturbateur Sp à deux impulsions simultanées proches en fréquence, d'une puissance d'environ 1 00 dBW. Selon un deuxième mode de réalisation particulier de l'invention, le filtre Fcer2 est remplacé par un filtre à ondes de surface, comme représenté figure 8. Le dispositif de filtrage comporte toujours deux filtres à ondes de surface mais placés différemment par rapport au dispositif décrit précédemment. Selon un autre mode de réalisation particulier de l'invention, le dispositif de filtrage comporte trois filtres à ondes de surface. Comme représenté figure 9, un filtre à ondes de surface Fsaw3 et un amplificateur Amp4 sont montés en série, à la suite de l'amplificateur Amp3 du dispositif précédent. On a représenté figure 9bis une variante de ce mode de réalisation à trois filtres à ondes de suface, qui présente de bonnes performances car les signaux perturbateurs sont atténués avant de créer des produits d'intermodulation: le filtre Fcer de la figure 9 est remplacé par un filtre à onde de surface Fsawi et le filtre Fsaw3 est remplacé par un filtre à 30 sélectivité lointaine FSL présentant les mêmes caractéristiques que celles de la figure 2. Les caractéristiques de filtrage de ces dispositifs des figures 9 et 9bis sont représentées figure 10: les 3 filtres à ondes de surface permettent d'atténuer le signal d'environ 120 à 150 dB aux fréquences proches et le filtre 35 classique Fcer permet d'atténuer le signal aux fréquences lointaines. On a présenté un exemple de dispositif de filtrage selon l'invention s'appliquant au domaine de l'aéronautique. Il permet notamment de filtrer des signaux perturbateurs proches d'un signal utile centré sur la fréquence 5 L5 (1176 MHz) du système GNSS ou sur la fréquence 1602 MHz du système GLONASS ou encore sur les fréquences E5a soit L5 ou E5b soit 1212 MHz du système GALILEO. Le dispositif de filtrage selon l'invention ne se limite pas à ces fréquences; il s'applique à tout filtrage hors bande de signaux perturbateurs 10 puissants, quelle que soit la fréquence sur laquelle cette bande est centrée. L'invention concerne également un récepteur de radiocommunication comportant un dispositif de filtrage tel que décrit. Le récepteur est notamment utilisé dans un système de radiocommunication par satellite comme le système GNSS, ou GLONASS ou 15 GALILEO. REVENDICATIONS 1. Dispositif de filtrage (1) à atténuation hors bande, caractérisé en ce qu'il comporte montés en série au moins deux filtres à sélectivité proche (Fsawi, Fsaw2) présentant chacun une perte d'insertion et une atténuation prédéterminées, chaque filtre étant monté en série avec un amplificateur 5 (Amp3, Amp4) et en ce que le gain de l'amplificateur est adapté à la perte d'insertion et à l'atténuation du filtre auquel il est associé. 2. Dispositif selon la revendication précédente, caractérisé en ce que, l'amplificateur (Amp3 ou Amp4) présentant un facteur de bruit et une 10 puissance limite, le gain de l'amplificateur est aussi adapté en fonction du facteur de bruit et de la puissance limite. 3. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte en outre monté en série avec 15 les filtres à sélectivité proche (Fsawi, Fsaw2) et les amplificateurs (Amp3, Amp4), au moins un filtre à sélectivité lointaine (Fcer). 4. Dispositif selon la revendication précédente, caractérisé en ce qu'il comporte deux filtres à sélectivité proche (Fsawi, Fsaw2) et un ou deux 20 filtres à sélectivité lointaine (Fcerl, Fcer2). 5. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'il comporte trois filtres à sélectivité proche (Fsawi, Fsaw2, Fsaw3) et un filtre à sélectivité lointaine (Fcer, FSL). 6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les filtres à sélectivité proche sont identiques. 7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les filtres à sélectivité proche sont des filtres à ondes de surface. 8. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte des filtres à sélectivité lointaine et en ce que ces filtres sont des filtres céramique ou LC. 9. Récepteur d'un système de radiocommunications par satellite, comprenant un dispositif de filtrage (1) selon l'une quelconque des revendications précédentes. 10. Récepteur selon la revendication précédente du système de 10 radiocommunications par satellite GNSS ou GLONASS ou GALILEO. 11. Procédé de filtrage à atténuation de signaux perturbateurs hors bande, caractérisé en ce qu'il consiste à utiliser un dispositif de filtrage comportant au moins deux filtres à sélectivité proche, chaque filtre à '15 sélectivité proche étant associé à un amplificateur, et à adapter le gain de chaque amplificateur à la perte d'insertion et à l'atténuation du filtre à sélectivité proche auquel il est associé. 12. Procédé selon la revendication précédente, caractérisé en ce 20 que pour chaque amplificateur, le gain est compris entre la perte d'insertion et la perte d'insertion plus l'atténuation du filtre auquel l'amplificateur est associé. 13. Procédé selon l'une quelconque des revendications 11 à 12, 25 caractérisé en ce qu'il consiste à aussi adapter le gain de chaque amplificateur au facteur de bruit et/ou à la puissance limite de l'amplificateur. 14. Procédé selon l'une quelconque des revendications 11 à 13, caractérisé en ce que la bande est centrée sur la fréquence f0 égale à 30 environ 1176 MHz, ou 1602 MHz, ou 1207 MHz ou 1575 MHz ou 1227 MHz. 15. Procédé selon l'une quelconque des revendications 11 à 14, caractérisé en ce que l'atténuation est supérieure à 70 dB aux fréquences proches.