Brevet FR2892244A1 — publié le 20070420

Circuit de détection de cohérence d'une séquence PDM dans un convertisseur numérique analogique Domaine technique de l'invention La présente invention concerne les circuits électroniques et notamment un circuit de détection de cohérence d'une séquence PDM dans un convertisseur numérique analogique. Etat de la technique La technique de codage sigma-delta est largement employée dans le 15 traitement de l'information. Suivant ce codage, une information de type analogique est transformée un train de bits PDM (de l'expression anglo-saxonne Pulse Density Modulation) opérant à haute fréquence par rapport au signal utile. Ce procédé fait appel à un quantificateur à deux états (0 ou 1) en fonction de l'amplitude du signal analogique à coder. 20 La figure 1 rappelle la correspondance entre un signal analogique, par exemple sinusoïdal et le train de bits PDM qui lui correspond. Le décodage du train de bits PDM est particulièrement simple puisqu'il suffit de faire passer l'information numérique dans un filtre passe-bas pour restituer l'information analogique originelle. 25 La figure 2 illustre une application typique audio mettant en œuvre un codage de type sigma delta. Un microphone numérique 200 comportant un amplificateur intégré et un modulateur sigma-delta fournit une séquence PDM qui est transmise via un canal 202 à un dispositif 250 de traitement numérique, tel que, par exemple, 30 un processeur numérique de signal (dénommé Digital Signal Processor ou DSP dans la littérature anglo-saxonne) qui effectue le traitement approprié. Le signal numérique PDM est reçu par une interface série 251 et transmis, via des moyens de ST 05-GR2-132 -2-. filtrages passe-bas 252 et un filtre de décimation 253 vers une application logicielle 250 qui effectue le traitement approprié de l'information numérique. En sortie du traitement, le signal numérique est transmis à des moyens s d'interpolation 255, puis à un filtre de mise en forme 256 pour ensuite être véhiculé à l'extérieur du DSP 250 via l'interface série 251. C'est donc un signal numérique PDM qui est transmis via un circuit 257 au dispositif terminal 210 lequel, dans l'application considérée dans la figure 2, illustre 10 un amplificateur audio de type Classe D , représentée par l'amplificateur 211, le filtre inductif et capacitif 212 et un haut-parleur 213. Les circuits audios basés sur un traitement purement numérique de l'information analogique, comme celle que l'on vient de rappeler, sont appelés à se 1s développer dans un avenir proche. D'une part, les amplificateurs audio de type classe D permettent d'obtenir des rendements élevés ce qui les rend particulièrement adaptés à leur emploi dans les circuits de l'électronique nomade, fonctionnant sur batterie. D'autre part, le traitement numérique dès la source de l'information permet une connexion directe au processeur DSP et ainsi de tirer parti ù à faible coût - de la considérable puissance de traitement numérique qu'offrent ces composants. 25 On a observé toutefois que l'architecture type de la figure 2 ù dédiée à une application audio ù pouvait être sensible à un dysfonctionnement qui, s'il n'est pas majeur en soi, pouvait occasionner de graves inconvénients. En effet, si d'aventure, le circuit 257 ne transmettait plus un trait de bits PDM 30 cohérent, cela aurait pour conséquence de venir saturer l'étage d'amplificateur, pouvant entraîner la détérioration du haut parleur 213 mais également une pression acoustique importante au niveau de l'oreille de l'utilisateur. ST 05-GR2-132 20 -3-- D'une manière générale, suivant les techniques connues, c'est l'application logicielle 254 qui est chargée d'effectuer un test de cohérence de la séquence PDM de manière à ce que cette séquence présente bien une valeur moyenne nulle pour un signal analogique d'entrée nul. Les techniques connues ne permettent cependant pas de s'affranchir de ce problème lorsque le disfonctionnement intervient en aval de l'application logicielle, c'est à dire dans l'un des éléments 25, 256, 257, et même l'amplificateur 211. 10 La présente invention a pour but de remédier à ce problème. Exposé de l'invention 15 La présente invention a pour but un circuit de détection de cohérence d'une séquence de bits de type PDM permettant d'éviter que l'on ne propage, notamment à un circuit analogique audio situé en aval, un signal présentant une incohérence et 20 pouvant occasionner de graves dommages au matériel ou une gêne significative à l'utilisateur. Un autre but de la présente invention consiste à proposer un circuit de protection particulièrement simple et efficace pour la réalisation d'un convertisseur 25 analogique numérique avant amplification et restitution audio. L'invention réalise ces buts au moyen d'un circuit de détection de cohérence d'une séquence PDM, comportant : 30 - un circuit de stockage permettant de stocker n bits consécutifs de ladite séquence PDM ; - un circuit de verrouillage/déverrouillage connecté au circuit de stockage et générant un signal de commande lorsque n valeurs consécutives sont égales ; ST 05-GR2-1325 -4-- - des moyens, commandés par ledit signal de commande, permettant de forcer l'extinction du signal analogique et générant un signal carré à la fréquence moitié de la fréquence de sur échantillonnage de la séquence PDM. Dans un mode de réalisation particulier, le circuit comporte un filtre pour supprimer la fréquence moitié de sur-échantillonnage et venir renforcer l'effet d'extinction du signal analogique. De préférence, les moyens permettant de forcer l'extinction du signal to analogique comporte : - une bascule lprésentant une entrée, une sortie ainsi qu'une entrée d'horloge recevant la fréquence d'échantillonnage ; - un multiplexeur disposant d'une première et d'une seconde entrée, la première 15 entrée recevant la valeur inverse de la sortie de ladite bascule et la seconde entrée recevant la séquence PDM après passage dans le circuit de stockage, ledit multiplexeur étant commandé par le signal de commande généré par le circuit de verrouillage/déverrouillage . 20 Dans un mode de réalisation préféré, le circuit de stockage comporte une chaîne de n bascules de type D connectées en cascade, la première bascule ayant une entrée recevant la séquence PDM à traiter et la nième bascule ayant une sortie connectée à la seconde entrée du multiplexeur. 25 L'invention est particulièrement adaptée à la réalisation d'un circuit de protection pour un système audio mobile, tel qu'un téléphone mobile doté d'un circuit de détection de cohérence d'une séquence PDM avant sa conversion sous forme analogique. Le circuit de détection comporte : 30 - un circuit de stockage (311-315) permettant de stocker n bits consécutifs de ladite séquence PDM ; - un circuit de verrouillage/déverrouillage (360) connecté auxdits moyens de stockage (311-315) et générant un signal de commande (356) lorsque n valeurs consécutives sont égales ; ST 05-GR2-132 -5-- - des moyens (301, 302) d'extinction du signal analogique commandés par ledit signal de commande et générant un signal carré à la fréquence moitié de la fréquence d'échantillonnage de la séquence PDM. Description des dessins 2D'autres caractéristiques, but et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description et des dessins ci-après, donnés uniquement à titre d'exemples non limitatifs. Sur les dessins annexés : 10 La figure 1 illustre le principe du codage sigma-delta permettant de générer une séquence de bits PDM. La figure 2 illustre une architecture d'une application audio basée sur un traitement complètement numérique d'un signal analogique (par exemple audio) . La figure 3 illustre le schéma d'un circuit de cohérence d'un signal PDM conforme à la présente invention. Description d'un mode de réalisation préféré On décrit à présent en référence à la figure 3 un circuit de protection pour 25 une séquence PDM permettant de traiter. L'invention est typiquement adapté à la réalisation d'un circuit de protection pour un amplificateur de classe D, que l'on peut rencontrer dans de multiples applications telles que par exemple les téléphoniques, et permettant de préserver 30 les oreilles de l'utilisateur contre des flux PDM incohérents. Le signal à traiter est fourni, comme dans les systèmes connus , par une source complètement numérique (non représentée), telle que par exemple un microphone à condensateur électret (Electret Condenser Microphone) comportant ST 05-GR2-132 15 20 -6- un amplificateur intégré, un modulateur sigma-delta et autorisant une connexion directe au DSP. Après traitement, le processeur DSP génère une séquence PDM qui est 5 introduite via un conducteur 309 dans le circuit conforme à la présente invention, tel qu'illustré dans la figure 3. Le circuit de détection de cohérence est disposé en aval de la chaîne d'amplification classique, bien connue, comportant par exemple un filtre analogique 10 304, un amplificateur analogique 305 et un haut-parleur 306. Le circuit de détection de cohérence comporte un circuit ou moyen de stockage de n bits consécutifs, basé sur un ensemble de n bascules de type D montés en cascade associé à un circuit de verrouillage/déverrouillage 360. Les n 1s bascules permettent de stocker le contenu de n bits consécutifs de la séquence PDM et le circuit de verrouillage/déverrouillage 360 permet l'exécution d'un test sur n bits consécutifs de cette même séquence PDM , en vue de la génération d'un signal de commande 356 venant forcer , par des moyens matériels, la génération d'un signal PDM cohérent présentant une valeur moyenne nulle lorsque n bits 20 successifs sont égaux. Afin de soulager la lecture de la figure 3, on a représenté seulement cinq bascules 311-315 montés en cascade, mais il est clair qu'un homme du métier pourra adapter le circuit de l'invention à un nombre plus élevé de bascules. On a 25 constaté que, dans bien des applications, on pouvait se satisfaire d'une valeur n= 10 . Chacune des bascules 311 à 315 comporte une entrée D connectée à la sortie Q de la bascule qui la précède dans la chaîne, et une sortie NQ (Q inverse) 30 qui est transmise via un conducteur à un bus connecté à une porte ET 352 du circuit de verrouillage/déverrouillage 360, ainsi qu'une entrée G recevant le signal d'horloge de sur-échantillonnage (FOS) propre à la séquence sigma-delta. ST 05-GR2-132 -7.- La première bascule 311 de la chaîne (bascule FD1) dispose d'une entrée D qui reçoit le signal PDM à traiter. Les sorties Q des n bascules 311-315 sont respectivement transmises à n entrées d'une porte ET 351 du circuit de verrouillage/déverrouillage 360 dont la fonction consiste à générer un signal de commande lorsque n valeurs consécutives sont égales . Dans le mode de réalisation particulier qui est illustré par la figure 3, le circuit Io de verrouillage/déverrouillage 360 dispose ainsi en permanence des n valeurs consécutives de la séquence PDM (transmises aux entrées de la porte ET 351), mais également des n valeurs conséquences inverses (transmises aux entrées de la porte ET 352). Comme on le voit, le circuit de verrouillage/déverrouillage 360 comporte en outre une première porte NOR 361, une seconde porte NOR 362, une 15 troisième porte NOR 363 et une quatrième porte NOR 364. Un homme du métier pourra avantageusement insérer une bascule D en aval de chaque sorties des portes 351 et 352 afin d'éviter des effets transitoires indésirables û ou glitches - et ne retenir que les états stables. 20 La porte NOR 361 dispose d'une première entrée connectée à la sortie de la porte ET 351 et d'une seconde entrée connectée à la sortie de la seconde porte NOR 362. La porte NOR 362 dispose d'une première entrée connectée à la sortie de la 25 porte NOR 361 et d'une seconde entrée connectée à la sortie NQ de la dernière bascule de la chaîne des n bascules 311-315, la sortie NQ5 en l'espèce. La porte NOR 363 dispose d'une première entrée connectée à la sortie Q de la dernière des ri bascules 311-315, en l'occurrence la sortie Q5 dans l'exemple de 30 la figure 3, et d'une seconde entrée connectée à la sortie de la porte NOR 364. La porte NOR 364 dispose d'une première entrée connectée à la sortie de la porte NOR 363 et d'une seconde entrée connectée à la sortie de la porte 352 ST 05-GR2-132 -8 recevant les n valeurs successives (NQ1, NQ2 .... NQ5 dans l'exemple considéré) de la séquence PDM. Les portes NOR 362 et 363 disposent chacune d'une sortie qui est respectivement connectée à une première et une seconde entrée d'une porte OU 355 dont la sortie est utilisée pour générer le signal de commande pour forcer l'extinction du signal audio au sein de la séquence PDM. Outre le circuit de stockage 311-315, le circuit de verrouillage/déverrouillage 360, le circuit de détection de cohérence conforme à la présente invention comporte un circuit permettant de forcer l'extinction du signal analogique et générant un signal carré à la fréquence moitié de la fréquence de sur échantillonnage de la séquence PDM. Le circuit de protection comporte en outre un ensemble multiplexeur 301 et 1s bascule 302 monté en diviseur de fréquence par 2 : la bascule 302 comporte une entrée D connectée à la sortie du multiplexeur 301 et une sortie Q qui est rebouclée à une première entrée inverseuse de ce même multiplexeur, lequel dispose d'une seconde entrée recevant la séquence PDM après passage dans la chaîne des n bascules. Dans le circuit de la figure 3, la seconde entrée du multiplexeur 301 reçoit 20 par conséquent la sortie Q5. Le multiplexeur est commandé par un signal généré, dans un mode de réalisation particulier, par une porte OU disposant d'une première entrée 307 recevant un premier signal de commande et d'une seconde entrée 308 recevant le 25 signal de commande 356 généré par le circuit de verrouillage/déverrouillage 360. Ainsi, lorsque l'une des deux entrées 307 ou 308 passe à un état haut, la commande du multiplexeur permet la génération d'une signal parfaitement carré à une fréquence égale à la moitié de la fréquence de sur échantillonnage. Dans un mode de réalisation particulier, le circuit de protection comporte de manière facultative, un filtre 303 pour assurer la suppression de la fréquence à la valeur moitié de la fréquence d'échantillonnage. On assure ainsi, une extinction plus ST 05-GR2-132 30 -9.- efficace du signal audio, avant transmission au filtre de réception 304, à l'amplificateur 305 et à un haut-parleur 306. Les éléments 304, 305 et 306 ne seront pas décrits plus avant car ils sont bien connus d'un homme du métier et varient en fonction de l'application considérée. On se bornera à rappeler que le filtre 304 pourra être réalisé au moyen d'un filtre à capacités commutés et que le haut parleur n'est qu'une application particulière envisagée. lo L'invention peut également trouver application dans bien d'autres applications, notamment dans les circuits de modems, où le problème ne consiste pas à ménager les oreilles de l'utilisateur, mais à vérifier la cohérence de la séquence PDM transmises aux circuits analogiques. 15 On observe que pour améliorer la qualité de restitution du son, le filtrage 212 pourra être réalisé au moyen d'un filtre a capacités commutes d'un ordre élevé. L'horloge est alors transmise au dispositif terminal 210 (tout comme elle est transmise au dispositif de codage 200) et cette invention présente alors un intérêt tout particulier dans le dispositif autonome de restitution, en bout de chaîne. 20 ST 05-GR2-132 Revendications 1. Circuit de détection de cohérence d'une séquence PDM, caractérisé en ce qu'il comporte : - un circuit de stockage (311-315) permettant de stocker n bits consécutifs de ladite séquence PDM ; - un circuit de verrouillage/déverrouillage (360) connecté au circuit de stockage Io (311-315) et générant un signal de commande (356) lorsque n valeurs consécutives sont égales ; - des moyens (301, 302) d'extinction du signal analogique commandés par ledit signal de commande et générant un signal carré à la fréquence moitié de la fréquence de sur échantillonnage de la séquence PDM. 15 2. Circuit de détection conformément à la revendication 1 caractérisé en ce qu'il comporte un filtre (303) pour supprimer la fréquence moitié de sur-échantillonnage et venir renforcer l'effet d'extinction du signal analogique. 20 3. Circuit de détection selon la revendication 2 caractérisé en ce que les dits moyens d'extinction du signal analogique comporte : - une bascule (302) présent une entrée, une sortie et une entrée d'horloge recevant la fréquence d'échantillonnage ; - un multiplexeur (301) disposant d'une première et d'une seconde entrée, la 25 première entrée recevant la valeur inverse de la sortie de ladite bascule (302) et la seconde entrée recevant la séquence PDM après passage dans ledit circuit de stockage (315), ledit multiplexeur étant commandé par le signal de commande généré par le circuit de verrouillage/déverrouillage (360). 30 4. Circuit de détection selon la revendication 3 caractérisé en ce que ledit circuit de stockage comporte un ensemble de n bascules de type D connectées en cascade, la première bascule ayant une entrée recevant la séquence PDM à traiter et la nième bascule ayant une sortie connectée à la seconde entrée du multiplexeur (301). ST 05-GR2-132 -11- 2892244 5. Circuit de détection selon la revendication 4 caractérisé en ce que ledit circuit de verrouillage/déverrouillage comporte : - une première porte ET (351) disposant de n entrées recevant respectivement les n 5 valeurs consécutives de la séquence PDM stockées dans ledit circuit de stockage (311-315) ; - une seconde porte ET (352) disposant de n entrées recevant respectivement la valeur inverse des n valeurs consécutives de la séquence PDM stockées dans ledit circuit de stockage (311-315) ; - une première porte NOR (361) disposant d'une première et d'une seconde entrée et d'une sortie ; ladite première entrée étant connectée à la sortie de ladite première porte ET (351 ; - une seconde porte NOR (362) disposant d'une première et d'une seconde entrée et d'une sortie, ladite première entrée étant connectée à la sortie inverseuse de la 15 dernière bascule dudit circuit de stockage (311-315) ; - une troisième porte NOR (363) disposant d'une première et d'une seconde entrée et d'une sortie, ladite première entrée étant connectée à la sortie non inverseuse de la dernière bascule dudit circuit de stockage (311-315) ; - une quatrième porte NOR (364) disposant d'une première et d'une seconde entrée 20 et d'une sortie ; ladite première entrée étant connectée à la sortie de la seconde porte ET 352 ; - ladite première porte NOR (361) ayant sa seconde entrée connectée à la sortie de ladite seconde porte NOR (362) ; - ladite seconde porte NOR (362) ayant sa seconde entrée connectée à la 25 sortie de ladite première porte NOR (361) ; - ladite troisième porte NOR (363) ayant sa seconde entrée connectée à la sortie de ladite quatrième porte NOR (364) ; - ladite quatrième porte NOR (364) ayant sa seconde entrée connectée à la sortie de ladite troisième porte NOR (363) ; 30 - une porte OU (355) comportant une première entrée connectée à la sortie de ladite seconde porte NOR (362), et une seconde entrée connectée à la sorite de ladite troisième porte NOR (363) , et une sortie générant ledit signal de commande. ST 05-GR2-132 31.Mai 2006 - 12 - 2892244 6. Circuit selon la revendication 5 caractérisé en ce qu'il comporte une porte OU supplémentaire (308) pour commander ledit multiplexeur 301, ladite porte OU disposant d'une première entrée recevant un signal SILENCE et une seconde entrée recevant le signal de commande généré par ledit circuit de 5 verrouillage/déverouillage (360). 7. Circuit de détection selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce qu'il est utilisé pour réaliser un circuit de protection audio destiné à protéger un haut-parleur ou pour ménager les oreilles d'un utilisateur. 8. Circuit de détection selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce qu'il est utilisé pour réaliser un circuit analogique pour tin modem. 9. Téléphone mobile comportant un circuit de détection de cohérence d'une 15 séquence PDM avant sa conversion sous forme analogique, caractérisé en ce qu'il comporte : - un circuit de stockage (311-315) permettant de stocker n bits consécutifs de ladite séquence PDM ; - un circuit de verrouillage/déverrouillage (360) connecté auxdits moyens de 20 stockage (311-315) et générant un signal de commande (356) lorsque n valeurs consécutives sont égales ; - des moyens (301, 302) d'extinction du signal analogique commandés par ledit signal de commande et générant un signal carré à la fréquence moitié de la fréquence d'échantillonnage de la séquence PDM. 25 10 ST 05-GR2-132 31.Mai 2006