Brevet FR2889898A1 — publié le 20070223

MELANGEUR DE SIGNAUX ANALOGIQUE ET NUMERIQUE Domaine de l'invention La présente invention concerne un mélangeur recevant un signal analogique et un signal numérique et fournissant un signal analogique obtenu en mélangeant les signaux analogique et numérique reçus. Exposé de l'art antérieur La figure 1 représente schématiquement un tel mélangeur 10 recevant un signal analogique S11 et un signal numérique S12 correspondant à une suite de messages numériques, comprenant chacun un nombre N de bits, fournis à une fréquence F1. Le mélangeur 10 fournit un signal analogique Sp. Un exemple d'application correspond à un dispositif de karaoké pour lequel le signal numérique S12 correspond à un fond musical et le signal analogique S11 correspond à un signal vocal fourni par un microphone. Le signal analogique Sp correspond alors à la superposition du signal vocal au fond musical, et peut être utilisé pour commander un haut-parleur. Un premier exemple classique de mélangeur réalise la conversion du signal numérique S12 en un signal analogique et effectue la somme du signal analogique obtenu et du signal analogique S11 pour fournir le signal analogique Sp. Pour une application audio, le signal analogique SO peut être destiné à commander un amplificateur de classe D qui attaque une charge, par exemple un haut-parleur. Toutefois, un amplificateur de classe D est généralement conçu pour être commandé par un signal analogique modulé en largeur d'impulsion (ou signal PWM de l'anglais Pulse Width Modulation). Bien qu'un signal modulé en largeur d'impulsions soit un signal à deux états, on considère qu'il s'agit d'un signal analogique dans la mesure où la moyenne d'un tel signal correspond à un signal analogique. Un inconvénient du premier exemple de mélangeur est que, le signal analogique S11 n'étant généralement pas sous la forme d'un signal modulé en largeur d'impulsions, la somme du signal S11 et du signal analogique correspondant à la conversion du signal numérique S12 ne permet pas d'obtenir directement un signal analogique modulé en largeur d'impulsions. La figure 2 représente un second exemple de mélangeur 10 comprenant un convertisseur analogique-numérique 12 recevant le signal analogique Sil et fournissant un signal numérique SO1 correspondant à une succession, à la fréquence F1, de messages numériques comprenant chacun N bits. Le mélangeur 10 comprend un additionneur 14 recevant à une première entrée le signal numérique SOl et à une seconde entrée le signal numérique S12 et fournissant un signal numérique SSum correspondant à une succession, à la fréquence F1, de messages comprenant chacun N bits. Le signal SSum est fourni à un convertisseur numérique-analogique 16 adapté à fournir le signal analogique SO. Le second exemple de mélangeur présente l'avantage que le convertisseur numérique-analogique 16 peut être facilement défini pour que le signal SO soit un signal modulé en largeur d'impulsion qui est alors adapté à commander directement un amplificateur de classe D. Le second exemple de mélangeur 10 est donc particulièrement adapté à une application audio. Le convertisseur analogique-numérique 12 est par exemple un convertisseur E-0 qui comprend un module de conver- lion analogique-numérique (A/N) 18 recevant le signal analogique S11 et fournissant un signal numérique SD1 correspondant à une succession, à une fréquence F2 supérieure à la fréquence F1, de messages comprenant chacun M bits, M étant inférieur à N et par exemple égal à 1. Le signal SD1 est fourni à un module de décimation et de filtrage 20 qui fournit le signal numérique Sol. Dans un tel type de convertisseur 12, le signal SDI est fourni à une fréquence élevée F2 par rapport à la fréquence finale FI pour rejeter le bruit de quantification hors de la bande de fréquence utile, le module de décimation et de filtrage 20 permettant notamment de filtrer ce bruit de quantification et de conserver le signal intact dans la bande de fréquence utile. Le convertisseur numérique-analogique 16 est par exemple du type comprenant un module d'interpolation 22 correspondant à un filtre interpolateur recevant le signal numérique SSum et fournissant un signal ST correspondant à une succession, à une fréquence F3 supérieure à la fréquence FI, de messages comprenant chacun N bits. Le signal ST attaque un module de conversion numérique-analogique (N/A) 24 qui fournit le signal analogique SO, éventuellement sous la forme d'un signal modulé en largeur d'impulsions. Un avantage du second exemple de mélangeur 10 est qu'il peut être quasiment en totalité réalisé par des composants logiques, et peut donc être facilement réalisé sous la forme d'un circuit intégré. En outre, un tel mélangeur est particuliè- rement adapté à la fourniture d'un signal analogique modulé en largeur d'impulsions. Toutefois, un tel mélangeur 10 a une structure relativement complexe puisqu'il comprend le module de décimation et de filtrage 20 qui est, par exemple, constitué de filtres mis en cascade réalisant chacun une moyenne glissante et une division en fréquence. Un tel mélangeur 10 nécessite donc une surface de silicium importante lorsqu'il est réalisé de façon intégrée. Résumé de l'invention La présente invention vise un mélangeur recevant un signal analogique et un signal numérique et fournissant un signal analogique qui soit de conception simple. Un autre objet de la présente invention est de prévoir un mélangeur susceptible de fournir un signal analogique modulé en largeur d'impulsions. Un autre objet de la présente invention est de prévoir un mélangeur susceptible d'être réalisé de façon intégrée en ne 10 nécessitant qu'une surface de silicium réduite. Dans ce but, la présente invention prévoit un mélangeur recevant un premier signal analogique et un premier signal numérique, correspondant à une succession, à une première fréquence, de premiers messages comprenant chacun un premier nombre de bits, et fournissant un second signal analogique. Ce mélangeur comprend un convertisseur analogique-numérique du premier signal analogique en un deuxième signal numérique, correspondant à une succession, à une seconde fréquence supérieure à la première fréquence, de deuxièmes messages comprenant chacun un second nombre de bits inférieur au premier nombre de bits; un convertisseur numérique-numérique du deuxième signal numérique en un troisième signal numérique correspondant à une succession, à la seconde fréquence, de troisièmes messages comprenant chacun le premier nombre de bits; un module d'interpolation fournissant, à partir d'une interpolation du premier signal numérique, un quatrième signal numérique correspondant à une succession, à la seconde fréquence, de quatrièmes messages comprenant chacun le premier nombre de bits; un additionneur fournissant un cinquième signal numérique égal à la somme des troisième et quatrième signaux numériques; et un convertisseur numérique-analogique du cinquième signal numérique en ledit second signal analogique. Selon un mode de réalisation de la présente invention, le convertisseur analogique-numérique comprend un modulateur delta-sigma. Selon un mode de réalisation de la présente invention, le module d'interpolation est un filtre numérique interpolateur. Selon un mode de réalisation de la présente invention, le convertisseur numérique-analogique est adapté à fournir le second signal analogique sous la forme d'un signal modulé en largeur d'impulsions. Selon un mode de réalisation de la présente invention, le convertisseur numérique-numérique est adapté à recevoir un signal de commande et à faire correspondre à chaque deuxième message du deuxième signal numérique un troisième message du troisième signal numérique en fonction du signal de commande. La présente invention vise aussi un procédé de mélange d'un premier signal analogique et d'un premier signal numérique correspondant à une succession, à une première fréquence, de premiers messages comprenant chacun un premier nombre de bits, pour fournir un second signal analogique, comprenant les étapes consistant à convertir le premier signal analogique en un deuxième signal numérique correspondant à une succession, à une seconde fréquence supérieure à la première fréquence, de deuxièmes messages comprenant chacun un second nombre de bits inférieur au premier nombre de bits; convertir le deuxième signal numérique en un troisième signal numérique correspondant à une succession, à la seconde fréquence, de troisièmes messages comprenant chacun le premier nombre de bits; fournir un quatrième signal numérique correspondant à une succession, à la seconde fréquence, de quatrièmes messages comprenant chacun le premier nombre de bits par interpolation du premier signal numérique; additionner les troisième et quatrième signaux numériques pour fournir un cinquième signal numérique; et convertir le cinquième signal numérique en ledit second signal analogique. Selon un mode de réalisation de la présente invention, le second signal analogique est un signal modulé en largeur d'impulsions. Selon un mode de réalisation de la présente invention, 35 l'étape de conversion du deuxième signal numérique en le troisième signal numérique comprend la fourniture, pour chaque deuxième message, d'un troisième message selon une relation qui dépend d'un signal de commande. Brève description des dessins Ces objets, caractéristiques et avantages, ainsi que d'autres de la présente invention seront exposés en détail dans la description suivante d'un exemple de réalisation particulier faite à titre non-limitatif en relation avec les figures jointes parmi lesquelles: la figure 1, précédemment décrite, illustre le principe de fonctionnement d'un mélangeur; la figure 2, précédemment décrite, représente un exem- ple classique de réalisation du mélangeur de la figure 1; la figure 3 représente un exemple de réalisation d'un mélangeur selon l'invention; la figure 4 représente un exemple de réalisation plus détaillé d'une partie du mélangeur de la figure 3; et les figures 5 et 6 représentent deux exemples de réalisation plus détaillés d'une autre partie du mélangeur de la figure 3. Description détaillée La présente invention consiste à réaliser un mélangeur du type recevant un signal numérique et un signal analogique et fournissant un signal analogique, dans lequel le mélangeur convertit le signal analogique d'entrée en un signal numérique intermédiaire à une fréquence plus élevée que la fréquence du signal numérique d'entrée. Le signal numérique d'entrée est alors interpolé pour fournir un signal numérique à la fréquence du signal numérique intermédiaire. Par ailleurs, le signal numérique intermédiaire est mis en forme pour être additionné au signal numérique interpolé. Une fois la somme effectuée, le signal numérique obtenu est converti en un signal analogique. Par rapport au mélangeur 10 représenté en figure 2, le mélangeur selon l'invention permet donc d'éviter l'utilisation du module de décimation et de filtrage 20, puisque le module de conversion 10 analogique-numérique 18 fournit directement un signal numérique Si Dà une fréquence élevée. Ceci permet d'obtenir un mélangeur ayant une structure particulièrement simple. La figure 3 représente un exemple de réalisation d'un mélangeur 30 selon l'invention. Par rapport au mélangeur 10 représenté en figure 2, les modules réalisant des fonctions identiques sont indiqués par de mêmes références. Le mélangeur 30 comprend le module de conversion analogiquenumérique 18 recevant le signal analogique S11 et fournissant le signal numé- rique SD1 codé sur M bits à la fréquence F2. Le signal SD1 est fourni à un module de conversion numérique-numérique (N/N) 32 qui fournit un signal numérique S'O1 à la fréquence F2 et codé sur un nombre de bits N, où N est supérieur à M. Le mélangeur 30 comprend un module d'interpolation 34 qui correspond à un filtre interpolateur recevant le signal numérique S12 et fournissant un signal numérique SO2 codé sur N bits à la fréquence F2. Ce filtre interpolateur peut être un filtre à réponse impulsionnelle finie ou infinie. Le module d'interpolation 34 et le module de conversion analogique-numérique 18 sont déterminés de façon à fournir deux signaux numériques SO2 et SD1 à la même fréquence F2. Les signaux numériques S'O1 et S02, codés sur le même nombre N de bits sont fournis aux entrées de l'additionneur 14 qui fournit un signal numérique SIN codé sur N bits à la fréquence F2. Le mélangeur 30 comprend le module de conversion numérique-analogique 24 qui reçoit le signal numérique SIN et fournit le signal analogique S0. Le module de conversion numérique-numérique 32 fournit donc, pour chaque message numérique reçu du signal SDI codé sur M bits, un message numérique du signal S'O1 codé sur N bits où N est supérieur à M. Une telle conversion peut être définie de manière déterminée par une table de correspondance prémémorisée qui attribue, à chaque message de M bits, un message de N bits, ou être peut définie de façon programmable. Dans ce dernier cas, le module de conversion numérique-numérique 32 reçoit un signal de commande, non représenté, permettant de modifier les règles de mise en correspondance entre les messages de M bits du signal Si Det les messages associés de N bits du signal S'01. Modifier les règles de mise en correspondance revient alors à appliquer un gain d'amplification réglable au signal analogique Sil. La figure 4 représente un exemple de réalisation du module de conversion 18 du type E-o qui fournit le signal numérique SDI codé sur un nombre M de bits égal à 1. Le module 18 comprend un soustracteur 36 dont l'entrée positive (+) reçoit le signal S11 et qui fournit un signal E à un intégrateur 38. L'intégrateur 38 attaque un quantificateur 40 qui fournit un signal binaire SDI à la fréquence F2 d'un signal de commande COM. Le signal SDI binaire est converti en un signal analogique par un convertisseur numérique-analogique 42 qui attaque l'entrée négative (-) du soustracteur 36. La figure 5 représente un exemple de réalisation du module de conversion numérique-analogique 24 adapté à la fourniture d'un signal analogique SO sous la forme d'un signal modulé en largeur d'impulsions. Le module de conversion 24 comprend un module de conversion PCM 46, également appelé modulateur E-0 (correspondant à l'expression anglaise Noise Shaper) qui reçoit à une première entrée, le signal SIN et qui fournit, à la fréquence F2, un signal numérique SpCM modulé en hauteur d'impulsions à un module de conversion PWM 48 qui fournit le signal SO modulé en largeur d'impulsions. Le signal Spcm est un signal numérique correspondant à une succession, à la fréquence F2, de messages codés sur K (par exemple 3 ou 4) bits, et permettant de coder K+1 états. Le signal Spcm est également fourni par une boucle de retour 50 à une seconde entrée du module de conversion PCM 46. Le module de conversion PWM 48 est commandé par un signal de commande CLK à partir duquel est fourni le signal SO. Le signal SO est un signal à deux états haut et bas tel qu'au cours d'un cycle dont la durée T est égale à l'inverse de la fréquence F2, la durée du signal SO à l'état haut dépend du signal SpCM reçu par le module de conversion PWM 48. La durée minimale pendant laquelle le signal SO peut être à l'état haut ou à l'état bas pendant un cycle caractérise la résolution du module de conversion PWM 48 et est égale à T divisée par K de façon que le signal Sp puisse coder les K+1 états que peut prendre le signal SpCM. Pour atteindre une telle résolution, il faut que le signal de commande CLK ait une fréquence égale à K fois la fréquence F2. La figure 6 représente un autre exemple de réalisation du module de conversion 24 adapté à la fourniture d'un signal Sp modulé en largeur d'impulsions. Par rapport à l'exemple de réalisation représenté en figure 5, le module de conversion PCM 46 reçoit, dans le présent exemple de réalisation, directement le signal Sp par la boucle de retour 50. Ceci permet une prise en compte directe, par le module de conversion PCM 46, des perturbations introduites par le module de conversion PWM 48. Le module de conversion PCM 46 fournit un signal modulé en hauteur d'impulsion S'pCM à la fréquence F2 à un décimateur 52 qui réalise une opération de décimation d'un facteur K, par exemple en sélectionnant un échantillon du signal SpCM' tous les K échantillons et qui fournit le signal SpCM à une fréquence F3 égale à la fréquence F2 divisée par le facteur K au module de conversion PWM 48. Comme le signal Sp est un signal à deux états fourni de façon cyclique à la fréquence F3 et qui peut occuper un même état pendant une durée minimale égale à l'inverse de la fréquence F2, il peut être directement mis sous la forme d'un signal numérique transmis à la fréquence F2 ayant le même nombre de bits que le signal S'IN de façon à être utilisable par le module de conversion PCM 46. A la différence du convertisseur 10 représenté en figure 1, le module de conversion PWM 48 fonctionne, dans le présent exemple, avec un signal de commande CLK' à la fréquence F2. La présente invention présente de nombreux avantages: - elle permet la réalisation d'un mélangeur recevant un signal analogique et un signal numérique et fournissant un signal numérique qui a une structure particulièrement simple; - le mélangeur selon la présente invention peut être réalisé quasiment en totalité par des composants logiques et peut donc être facilement réalisé par un circuit intégré nécessitant une surface de silicium réduite; - le mélangeur selon la présente invention permet d'obtenir directement un signal analogique modulé en largeur d'impulsions qui peut être utilisé pour la commande d'un amplificateur de classe D et se prête donc particulièrement à des applications audio dans lesquelles des amplificateurs de classe D sont généralement utilisés pour la commande de haut-parleurs; - le convertisseur numérique/numérique permet de réaliser un réglage de gain simplifié du signal analogique converti. Bien entendu, la présente invention est susceptible de diverses variantes et modifications qui apparaîtront à l'homme de l'art. En particulier, les structures du module de conversion analogique-numérique 18 et du module de conversion numérique-analogique 24 peuvent être différentes des structures décrites précédemment. 2889898 11 REVENDICATIONS 1. Mélangeur (30) recevant un premier signal analogique (S11) et un premier signal numérique (SI2), correspondant à une succession, à une première fréquence, de premiers messages comprenant chacun un premier nombre de bits, et fournissant un second signal analogique (S0), caractérisé en ce qu'il comprend: un convertisseur analogique-numérique (18) du premier signal analogique en un deuxième signal numérique (SD1), correspondant à une succession, à une seconde fréquence supérieure à la première fréquence, de deuxièmes messages comprenant chacun un second nombre de bits inférieur au premier nombre de bits; un convertisseur numérique-numérique (32) du deuxième signal numérique en un troisième signal numérique (S'O1) correspondant à une succession, à la seconde fréquence, de troisièmes messages comprenant chacun le premier nombre de bits; un module d'interpolation (34) fournissant, à partir d'une interpolation du premier signal numérique, un quatrième signal numérique (SO2) correspondant à une succession, à la seconde fréquence, de quatrièmes messages comprenant chacun le premier nombre de bits; un additionneur (14) fournissant un cinquième signal numérique (SIN) égal à la somme des troisième et quatrième signaux numériques; et un convertisseur numérique-analogique (24) du cinquième signal numérique en ledit second signal analogique. 2. Mélangeur selon la revendication 1, dans lequel le convertisseur analogique-numérique (18) comprend un modulateur delta-sigma. 3. Mélangeur selon la revendication 1, dans lequel le 30 module d'interpolation (34) est un filtre numérique interpolateur. 4. Mélangeur selon la revendication 1, dans lequel le convertisseur numérique-analogique (24) est adapté à fournir le second signal analogique (SO) sous la forme d'un signal modulé en largeur d'impulsions. 5. Mélangeur selon la revendication 1, dans lequel le convertisseur numérique-numérique (32) est adapté à recevoir un signal de commande et à faire correspondre à chaque deuxième message du deuxième signal numérique (SD1) un troisième message du troisième signal numérique (SOl) en fonction du signal de commande. 6. Procédé de mélange d'un premier signal analogique (S11) et d'un premier signal numérique (SI2) correspondant à une succession, à une première fréquence, de premiers messages comprenant chacun un premier nombre de bits, pour fournir un second signal analogique (SO), caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes: convertir le premier signal analogique en un deuxième signal numérique (SD1) correspondant à une succession, à une seconde fréquence supérieure à la première fréquence, de deuxièmes messages comprenant chacun un second nombre de bits inférieur au premier nombre de bits; convertir le deuxième signal numérique en un troisième signal numérique (S'O1) correspondant à une succession, à la seconde fréquence, de troisièmes messages comprenant chacun le premier nombre de bits; fournir un quatrième signal numérique (SO2) correspon-dant à une succession, à la seconde fréquence, de quatrièmes messages comprenant chacun le premier nombre de bits par interpolation du premier signal numérique; additionner les troisième et quatrième signaux numériques pour fournir un cinquième signal numérique (SIN) ; et convertir le cinquième signal numérique en ledit second signal analogique. 7. Procédé selon la revendication 6, dans lequel le second signal analogique (SO) est un signal modulé en largeur d'impulsions. 8. Procédé selon la revendication 6, dans lequel l'étape de conversion du deuxième signal numérique (SD1) en le troisième signal numérique (Sol) comprend la fourniture, pour chaque deuxième message, d'un troisième message selon une rela- tion qui dépend d'un signal de commande.