Brevet FR2871000A1 — publié le 20051202

DISPOSITIF DE MODULATION ET EMETTEUR COMPRENANT UN TEL DISPOSITIF, La présente invention concerne un dispositif de génération de signaux modulés, adapté pour transmettre un signal contenant une information codée en bande de base à la fois en modulation de phase et en modulation d'amplitude. Elle concerne aussi un émetteur qui comprend un tel dispositif. L'article A Class-S RF Amplifier Architecture with Envelope Delta-Sigma modulation de Yuanxun Wang (2002 IEEE) décrit un dispositif de modulation dans lequel l'ensemble de l'information codée en bande de base en modulation de phase ou d'amplitude est transformée par un module sigmadelta avant d'être transposée sur une porteuse. Dans l'article Linear High-Efficiency Microwave Power Amplifiers Using Bandpass Delta-Sigma Modulators de Arun Jayaraman et al. (IEEE Microwave and Guided Wave Letters, vol. 8, No. 3, March 1998), les signaux de bande de base sont convertis en impulsions en utilisant un modulateur sigma-delta passe-bande. Le document US 5,838,210 décrit un générateur de signaux RF modulés qui met en oeuvre un signal produit par un modulateur de largeur d'impulsions, ou PWM (pour Phase Width Modulator en anglais). Le principe d'un modulateur PWM tel qu'utilisé dans ce document est décrit en détail dans l'article High-Efficiency Switched-Mode RF Power Amplifier de Poojan Wagh et al. (1999 IEEE). Les impulsions sont modulées en largeur en fonction du signal de modulation d'amplitude en bande de base, et sont modulées en phase en fonction du signal de modulation de phase en bande de base. Le signal d'impulsions modulées en largeur et en phase ainsi obtenu est ensuite amplifié. A cause de la forme en train d'impulsions du signal amplifié, ces dispositifs nécessitent d'être associés avec un amplificateur commuté, ou de classe S, pour former un émetteur. La présente invention concerne un dispositif de modulation qui produit un signal dont la forme n'impose pas d'utiliser un amplificateur commuté. La figure 1 est un schéma fonctionnel d'un tel émetteur connu de l'Homme du métier. L'émetteur comprend un dispositif de modulation de signaux qui constitue un étage d'entrée de l'émetteur, et un étage de puissance disposé en sortie. Le dispositif de modulation comprend trois voies d'entrée référencées El, E2 et E3. L'étage de puissance est référencé S. Les voies d'entrée El et E2 sont adaptées pour recevoir chacune en entrée un signal numérique de modulation de phase en bande de base. La voie d'entrée El comprend un retardateur numérique 11 connecté en sortie à un convertisseur numérique-analogique (CNA) 21. De même, la voie d'entrée E2 comprend un retardateur numérique 12 connecté en sortie à un convertisseur numérique-analogique 22. Les voies d'entrée El et E2 délivrent chacune, en sortie des convertisseurs 21, 22, un signal analogique de modulation de phase à enveloppe constante. La voie d'entrée El délivre un signal I en phase et la voie d'entrée E2 délivre un signal Q en quadrature avance par rapport au signal I (i.e. déphasé de +90 ). Les signaux I et Q sont variables selon une fréquence inférieure à 100 MégaHertz, par exemple. Un oscillateur local 1, par exemple de type VCO (pour Voltage Controlled Oscillator en anglais), produit un signal PO à haute fréquence, par exemple de 5 GigaHertz. L'oscillateur 1 est connecté à une entrée supplémentaire du dispositif de modulation, référencée E0. Le signal PO est transmis à une entrée d'un déphaseur 2 qui produit, à partir du signal P0, deux signaux sinusoïdaux notés P1 et P2 respectivement sur deux sorties 2a et 2b. Le signal P2, transmis sur la sortie 2b, est en avance d'une quadrature (+ 90 ) par rapport au signal P1, transmis sur la sortie 2a. Les signaux P1 et P2 constituent la porteuse du signal transmis en sortie par le dispositif de modulation. Un modulateur de phase 1/Q référencé 7 possède deux premières entrées respectivement connectées aux sorties des voies El et E2, et deux secondes entrées respectivement connectées aux sorties 2a et 2b du déphaseur 2. De façon connue, le modulateur de phase 7 est équivalent à deux multiplieurs 4 et 5 dont les sorties sont connectées à des entrées respectives d'un soustracteur 6. Le multiplieur 4 reçoit en entrée les signaux I et P1, et le multiplieur 5 reçoit en entrée les signaux Q et P2. Le soustracteur 6 délivre alors en sortie un signal sinusoïdal V ayant la fréquence de l'oscillateur 1 et modulé en phase selon I et Q. La voie d'entrée E3 reçoit en entrée un signal numérique de modulation d'amplitude en bande de base. Elle comprend un retardateur numérique 13, connecté en sortie à un convertisseur numérique-analogique 23. La sortie du convertisseur 23 délivre un signal analogique A de modulation d'amplitude. Le signal A varie beaucoup plus lentement que le signal P0. La sortie du convertisseur 23 est connectée à une entrée d'un modulateur sigma-delta 8. Le modulateur sigma-delta 8 est de type à 1 bit et d'ordre n. Un tel modulateur est connu de l'Homme du métier. Le bruit de quantification généré par le modulateur sigma-delta 8 correspond à des fréquences situées au delà de la fréquence de coupure passe-bas de l'émetteur, en sorte qu'il est filtré. Une entrée de synchronisation du modulateur sigma-delta 8 est par ailleurs connectée à l'entrée EO pour recevoir le signal PO en tant que signal d'échantillonnage. D'une façon connue, le modulateur sigma-delta 8 produit en sortie un signal C constitué d'un train d'impulsions cadencées à la fréquence du signal PO et ayant des durées déterminées en fonction des variations du signal A. Les sorties respectives du modulateur de phase 7 et du modulateur sigma- delta 8 sont connectées à deux entrées respectives d'un multiplieur 3. Les niveaux bas et haut des impulsions du signal C correspondent par exemple aux valeurs numériques -1 et +1. Le multiplieur 3 produit en sortie un signal W correspondant au signal modulé en phase V, avec des sauts de phase de valeur +/- rr correspondant aux fronts montants ou descendants des impulsions du signal C. L'encodage des informations en bande de base qui est alors obtenu est le suivant: les modulations continues de la phase du signal W correspondent à la modulation de phase en bande de base, et les discontinuités de la phase du signal W correspondent à la modulation d'amplitude en bande de base. 2871000 -4- Le déphaseur 2, le modulateur de phase 7 et le multiplieur 3 constitue un mélangeur de signaux 100, noté MIXER. L'étage de puissance S comprend un amplificateur 101 connecté en sortie à un filtre passe-bande 102. Le filtre 102 est choisi en fonction de la bande de fréquence d'émission allouée. Sa fréquence de coupure haute permet d'éliminer le bruit de quantification généré par le modulateur sigma-delta 8 et situé au delà de cette fréquence. La sortie du filtre 102 est reliée à une antenne d'émission. Grâce au codage réalisé, la transmission des informations de bande de o base à l'antenne est peu sensible aux distorsions introduites par l'amplificateur 101. Un amplificateur à haut rendement peut alors être utilisé, fonctionnant en régime linéaire, saturé ou commuté. Un émetteur conforme à la figure 1 comporte donc deux étages de mélange de signaux. Le premier étage est constitué par les multiplieurs 4 et 5 disposés en parallèle, et le second étage est constitué par le multiplieur 3. Ces deux étages sont séparés par le soustracteur 6. Un inconvénient d'un émetteur du type précédent provient de la proximité entre le module sigma-delta 8 et l'amplificateur 101. En effet, ces deux composants ne sont séparés que par le multiplieur 3. Une partie significative du bruit généré par le module 8 est alors amplifiée et transmise à l'antenne d'émission. Un but de la présente invention est donc de proposer un dispositif de modulation de signaux pour lequel le bruit transmis en sortie est réduit. L'invention concerne un dispositif de modulation de signaux comprenant: une voie d'entrée d'un signal à haute fréquence; - deux voies d'entrée adaptées pour délivrer des signaux analogiques de modulation de phase à amplitude constante, respectivement en phase et en quadrature; - une voie d'entrée comprenant un modulateur sigma-delta agencé pour recevoir en entrée un signal analogique de modulation d'amplitude et pour délivrer en sortie un signal d'impulsions; et 2871000 -5- - un mélangeur ayant des entrées reliées respectivement à la voie d'entrée du signal à haute fréquence, aux voies d'entrée des signaux de modulation de phase, et à la sortie du modulateur sigma-delta. Le mélangeur est agencé pour produire en sortie un signal sensiblement proportionnel à une soustraction entre: un premier signal égal au signal analogique en phase de modulation de phase multiplié par un premier signal sinusoïdal de porteuse et par le signal d'impulsions, d'une part, et un second signal égal au signal analogique en quadrature de modulation de phase multiplié par un second signal sinusoïdal de porteuse et par le signal d'impulsions, d'autre part. Un dispositif de modulation selon l'invention est caractérisé en ce que le mélangeur comprend: - un déphaseur relié à la voie d'entrée du signal à haute fréquence et adapté pour produire sur deux sorties respectives lesdits premier et second signaux sinusoïdaux de porteuse déphasés en quadrature l'un par rapport à l'autre; - un multiplieur relié par des entrées respectives à la sortie du modulateur sigma-delta et aux sorties du déphaseur, adapté pour produire sur deux sorties dudit multiplieur des signaux proportionnels au signal d'impulsions multiplié respectivement par l'un desdits premier et second signaux sinusoïdaux de porteuse; et - un modulateur de phase ayant deux premières entrées respectivement reliées aux voies d'entrée des signaux de modulation de phase et deux secondes entrées respectivement reliées aux sorties du multiplieur. Ainsi, dans un dispositif de modulation selon l'invention, le signal de modulation d'amplitude est d'abord converti en un signal d'impulsions puis mélangé avec le signal à haute fréquence. Deux signaux de porteuse issus de cette combinaison sont ensuite respectivement combinés avec chacun des signaux de modulation de phase au moyen d'un modulateur de phase IIQ. Grâce à cette séquence, le signal produit par le modulateur de phase comporte un bruit généré par le modulateur sigma-delta qui est réduit. 2871000 -6- Un avantage d'un dispositif de modulation selon l'invention résulte du fait que la voie d'entrée du signal de modulation d'amplitude est connectée au multiplieur en amont des connexions respectives des voies d'entrée des signaux de modulation de phase au modulateur de phase. Grâce à cet agencement, le signal de modulation d'amplitude et chacun des signaux de modulation de phase présentent des déphasages réduits. La synchronisation des signaux de modulation délivrés par les voies d'entrée ne nécessite alors de mettre en oeuvre que des retards de faible valeur. Un autre avantage d'un dispositif de modulation selon l'invention résulte du fonctionnement du modulateur de phase. En effet, la sortie du modulateur de phase présente un rythme de commutation correspondant au fonctionnement du modulateur sigma-delta. Ce rythme est inférieur à celui de variation des signaux de porteuse. Il en résulte une consommation énergétique du modulateur de phase réduite par rapport au cas où le modulateur de phase est connecté directement en sortie du déphaseur. Par ailleurs, la contribution du modulateur de phase lui-même au bruit du signal de sortie du dispositif de modulation est aussi réduite. Un émetteur conforme à la figure 2 ne comporte donc qu'un seul étage de mélange de signaux, constitué par les multiplieurs 3, 4 et 5. En effet, les sorties 3a et 3b du multiplieur 3 sont directement reliées aux entrées des multiplieurs 4 et 5. Cet étage de mélange unique combine donc d'une façon globale les signaux de porteuse P1 et P2 avec les signaux I et Q. L'invention concerne aussi un émetteur comprenant un dispositif de modulation tel que décrit précédemment. D'autres particularités et avantages de la présente invention apparaîtront dans la description ci-après d'un exemple de réalisation non limitatif, en référence aux dessins annexés, dans lesquels: - la figure 1, déjà décrite, est un schéma fonctionnel d'un émetteur connu; - la figure 2 est un schéma fonctionnel d'un émetteur comprenant un dispositif de modulation selon l'invention. Des références identiques utilisées sur les figures 1 et 2 correspondent à des éléments identiques, ou qui jouent des rôles équivalents. Un émetteur tel que décrit en détail maintenant comprend encore un dispositif de modulation de signaux comme étage d'entrée et un étage de puissance S disposé en sortie. Le dispositif de modulation comprend des voies d'entrée EO, El, E2 et E3 identiques à celles décrites en référence à la figure 1. L'étage de puissance S est aussi identique à celui décrit plus haut. En particulier, les voies d'entrée des signaux de modulation de phase El et E2 comprennent chacune un convertisseur numérique-analogique, respectivement 21, 22, relié à une sortie d'un retardateur numérique, respectivement 11, 12. Les convertisseurs 21 et 22 délivrent respectivement en sortie les signaux analogiques I et Q de modulation de phase en bande de base, à enveloppe constante. Les signaux analogiques de modulation de phase en bande de base I et Q, à amplitude constante, peuvent être respectivement écrits sous la forme coscp(t) et sirup(t) , cos et sin désignant les fonctions cosinus et sinus. Les variations de la fonction (p(t) correspondent alors à la modulation de phase en bande de base. La voie d'entrée du signal de modulation d'amplitude E3 comprend un retardateur 13. Le retardateur 13 peut aussi être de type numérique. Dans ce cas un convertisseur numérique-analogique 23 est disposé en sortie du retardateur 13. Le convertisseur 23 délivre alors en sortie un signal analogique A correspondant à la modulation d'amplitude en bande de base. Le signal A est transmis en entrée au modulateur sigma-delta 8. La synchronisation entre les signaux I et Q, délivrés respectivement par les voies El et E2, et le signal C de sortie du modulateur sigma-delta 8 peut être obtenue par un interpolateur de Farrow non représenté. A titre d'exemple, les retards de synchronisation introduits sur chacune des voies El, E2 et E3 peuvent être DELAY 1=DELAY 2=1,0 microseconde, DELAY 3 = 0,5 microseconde. La voie d'entrée du signal à haute fréquence EO peut être reliée en outre à une entrée de synchronisation du modulateur sigma-delta 8. Le signal 2871000 -8- d'impulsions délivré par le modulateur sigma-delta 8 est alors cadencé à la fréquence du signal P0. Un mélangeur 100 est connecté en entrée aux voies E0, El, E2 et E3, et en sortie à l'étage de puissance S. Le mélangeur 100 comprend un 5 déphaseur 2, un multiplieur 3 et un modulateur de phase 7. Le signal à haute fréquence PO est transmis en entrée au déphaseur 2. A partir du signal P0, le déphaseur 2 produit deux signaux sinusoïdaux notés P1 et P2 sur des sorties respectives 2a et 2b. Le signal P2 est en avance de phase de 90 par rapport au signal P1. Les signaux P1 et P2 ont des amplitudes sensiblement identiques. Ils sont donc respectivement de la forme cos(w.t) et sin(w.t), où t désigne la variable temporelle et w est la fréquence du signal de porteuse associé à P1 et P2. Le déphaseur 2 peut être du type diviseur de Thomson, connu de l'Homme du métier. Dans ce cas, la fréquence w est égale à la moitié de la fréquence du signal P0. Le multiplieur 3 possède une première entrée connectée à la sortie du modulateur sigma-delta 8, pour recevoir le signal d'impulsions C. Il possède en outre deux secondes entrées connectées respectivement aux sorties 2a et 2b du déphaseur 2. Le multiplieur 3 effectue en parallèle les deux opérations suivantes: multiplication des signaux C et P1 d'une part, et multiplication des signaux C et P2 d'autre part. Il produit par conséquent, sur deux sorties du multiplieur 3, respectivement 3a et 3b, deux signaux correspondant respectivement à c(t) x cos(w.t) et c(t) x sin(w.t) , où c(t) représente les variations du signal C. Le modulateur de phase 7 possède quatre entrées connectées de la 25 façon suivante: - deux premières entrées sont connectées aux sorties des convertisseurs 21 et 22, respectivement des voies d'entrée El et E2, et - deux secondes entrées connectées respectivement aux sorties 3a et 3b du multiplieur 3. Le modulateur de phase 7 peut être d'un type usuel. Il est alors équivalent à deux multiplieurs 4 et 5 connectés chacun en sortie à deux entrées d'un soustracteur 6. Le multiplieur 4 effectue une multiplication du 2871000 -9- signal I par le signal reçu sur l'entrée du modulateur 7 connectée à la sortie 3a du multiplieur 3. Le multiplieur 5 effectue parallèlement une multiplication du signal Q par le signal reçu sur l'entrée du modulateur 7 connectée à la sortie 3b du multiplieur 3. Le signal W produit sur la sortie du modulateur de phase 7 est alors proportionnel à : coscp(t) x c(t) x cos(w.t) - sincp(t) x c(t) x sin(w.t) = c(t) x cos[w.t+cp(t)] . La fonction c(t) ne prenant que des valeurs égales à -1 ou +1, les variations du signal W peuvent être écrites sous la forme: cos[w.t+cp(t)+ a.Tr] , ou a est égal à -1 ou +1 en fonction de la valeur instantanée du signal d'impulsions C. Les informations de modulation de phase et d'amplitude en bande de base sont donc codées uniquement sous forme d'une modulation de la phase du signal de sortie W. Le signal W est par conséquent à enveloppe constante. La transmission de l'information contenue dans le signal W est donc peu sensible aux défauts d'amplification de type non-linéaire de l'amplificateur 101. Selon un mode de réalisation avantageux, le multiplieur 100 est réalisé sous la forme d'un module de circuit intégré unique comprenant déphaseur 2, le multiplieur 3 et le modulateur de phase 7. La réduction ainsi obtenue de la longueur des connexions électriques entre ces composants permet de diminuer le bruit du signal de sortie W. Une telle réalisation est aussi particulièrement économique, et permet d'obtenir un émetteur compact à faible coût. Enfin, bien qu'un dispositif de modulation de signaux conforme à la présente invention est particulièrement adapté pour une application d'émetteur, il est entendu qu'un tel dispositif peut être utilisé pour une autre application. Il est alors associé à un étage de sortie autre qu'un étage de puissance d'émetteur tel que décrit ci-dessus. 2871000 -10- REVENDICATIONS 1. Dispositif de modulation de signaux comprenant: une voie d'entrée (E0) d'un signal à haute fréquence (PO) ; deux voies d'entrée (El, E2) adaptées pour délivrer des signaux analogiques de modulation de phase à amplitude constante, respectivement en phase (I) et en quadrature (Q) ; une voie d'entrée (E3) comprenant un modulateur sigma-delta (8) agencé pour recevoir en entrée un signal analogique de modulation d'amplitude (A) et pour délivrer en sortie un signal d'impulsions (C) ; et un mélangeur (100) ayant des entrées reliées respectivement à la voie d'entrée du signal à haute fréquence (E0), aux voies d'entrée des signaux de modulation de phase (El, E2), et à la sortie du modulateur sigma-delta (8) , ledit mélangeur (100) étant agencé pour produire en sortie un signal (W) sensiblement proportionnel à une soustraction entre: un premier signal égal au signal analogique en phase de modulation de phase (I) multiplié par un premier signal sinusoïdal de porteuse (P1) et par le signal d'impulsions (C), et un second signal égal au signal analogique en quadrature de modulation de phase (Q) multiplié par un second signal sinusoïdal de porteuse (P2) et par le signal d'impulsions (C), dans lequel le mélangeur (100) comprend: - un déphaseur (2) relié à la voie d'entrée du signal à haute fréquence (EO) et adapté pour produire sur deux sorties respectives (2a, 2b), lesdits premier (P1) et second (P2) signaux sinusoïdaux de porteuse déphasés en quadrature l'un par rapport à l'autre; - un multiplieur (3) relié par des entrées respectives à la sortie du modulateur sigma-delta (8) et aux sorties du déphaseur (2a, 2b), adapté pour produire sur deux sorties dudit multiplieur (3a, 3b) des 2871000 -11signaux proportionnels au signal d'impulsions (C) multiplié respectivement par l'un desdits premier (P1) et second (P2) signaux sinusoïdaux de porteuse; et - un modulateur de phase (7) ayant deux premières entrées respectivement reliées aux voies d'entrée des signaux de modulation de phase (El, E2) et deux secondes entrées respectivement reliées aux sorties du multiplieur (3a, 3b). 2. Dispositif selon la revendication 1, dans lequel la voie d'entrée du signal à haute fréquence (EO) est en outre reliée à une entrée de synchronisation du modulateur sigma-delta (8). 3. Dispositif selon la revendication 1 ou 2, les voies d'entrée des signaux de modulation de phase (El, E2) comprennent chacune un convertisseur numérique-analogique (21, 22) relié à une sortie d'un retardateur numérique (11, 12). 4. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel la voie d'entrée du signal de modulation d'amplitude (E3) comprend un retardateur (13). 5. Emetteur comprenant un dispositif de modulation de signaux selon l'une quelconque des revendications précédentes.