Brevet FR2939984A1 — publié le 20100618

MELANGEUR DIRECT A TRANSISTOR ET ECHANTILLONNEUR BLOQUEUR L'objet de la présente invention concerne un mélangeur direct à transistor et 5 échantillonneur bloqueur; le dispositif permet la transposition en bande de base d'un signal de la bande radio fréquence RF. Elle est utilisée, par exemple, dans la radio analogique qui demande une démodulation directe avec un échantillonneur bloqueur. Elle s'applique notamment dans les dispositifs à haute dynamique, c'est-à-dire pour des signaux dont la valeur du rapport entre le signal de sortie du dispositif et le signal présent à l'entrée du dispositif est élevé. La dynamique se situe par exemple entre 3 dBm pour le signal le plus fort et -160 dBm pour le plus faible dans 1 Hz de bande passante. Le gain du dispositif de mélange et de l'interface développée selon l'invention est de l'ordre de 40 15 dB. Ceci permet de compenser le facteur de bruit des convertisseurs analogique numérique se trouvant en sortie du dispositif. L'invention s'applique, par exemple, pour des récepteurs recevant des signaux analogiques nécessitant une très grande dynamique de fonctionnement lors de la présence en même temps de deux signaux, le 20 signal utile en limite de sensibilité du récepteur (c'est-à-dire que le récepteur parvient à le percevoir malgré sa faible amplitude, par exemple) l'autre étant un signal parasite ayant un fort niveau et pouvant rendre non visible le signal de faible amplitude. Le signal parasite étant connu sous le terme de signal brouilleur par rapport au signal utile. 25 L'invention concerne notamment les récepteurs de radio navigation et radio communication. Dans la suite de la description, le mot � brouilleur � est utilisé pour des signaux qui perturbent le signal reçu et qui gênent voir empêchent l'accès au signal utile. Le niveau du signal de brouillage peut être supérieur à 3 dBm. 30 Dans le domaine technique précité, parmi les problèmes généralement rencontrés, les plus connus sont la linéarité et le facteur du bruit dans un dispositif de mélange direct. A l'heure actuelle, il est aussi souhaité d'avoir une simplification de l'architecture globale d'un récepteur. L'art antérieur décrit différents dispositifs cherchant à résoudre ces problèmes. Par exemple, le brevet US 6 230 000 décrit un mélangeur à commutation. S'il s'avère performant, ce dispositif ne parvient toutefois pas à assurer une bonne réception des signaux pour des applications à dynamique élevée, une valeur pouvant être définie de la manière suivante : >3 dbm pour le signal fort et -127 dbm pour le signal faible dans 5 kHz de bande passante et offre une linéarité qui se révèle insuffisante pour certaines applications, notamment, pour des utilisations dans des environnements où des brouilleurs sont présents. Ainsi, le dispositif décrit dans ce brevet US 6 230 000 limite la bande passante à 100 KHz, avec un facteur de bruit de 12 dB ainsi qu'une fréquence de fonctionnement limitée à 100 MHz. Il est aussi connu de nombreuses architectures de mélangeur. Ces dernières ne présentent pas en général un niveau de dynamique suffisant pour des applications à haute dynamique. L'objet de la présente invention concerne un système et un procédé reposant sur une transposition en bande de base d'un signal RF avec un montage haute dynamique, faible facteur de bruit et dotée d'une bonne sensibilité. L'objet de l'invention concerne un mélangeur direct à transistor et échantillonneur bloqueur caractérisé en ce qu'il comporte en combinaison au moins les éléments suivants : o un dispositif Ti adapté à transposer en bande de base un signal radio-fréquence, o la sortie ST1 du dispositif de transposition est reliée à quatre transistors Q1, Q2, Q3 et Q4 au niveau du drain,D1, D2, D3, D4 la 30 grille G1 , G2, G3, G4 de chacun des transistors est reliée à une source S1, S2, S3 et S4 délivrant une fréquence d'oscillateur sensiblement identique sur chaque transistor avec des phases différentes distribuées de la manière suivante : déphasage 0° sur la grille du premier transistor Q1, déphasage de 180° sur la grille du deuxième transistor Q2, déphasage de 90° sur la grille du troisième transistor et déphasage de 270° sur la grille du quatrième transistor Q4, la valeur de fréquence Foi de l'oscillateur étant proche de celle du signal radio-fréquence à transposer, o chaque sortie S1, S2, S3 et S4 des transistors Q1, Q2, Q3 et Q4 est reliée à un premier étage de filtrage EF1 constitué de plusieurs réseaux RiCi, ayant des caractéristiques adaptées à filtrer le signal issu de la sortie des transistors, o le premier étage de filtrage EF1 possède quatre sorties SF1, SF2, SF3, SF4, chacune de ces sorties est reliée à la grille G5, G6, G7, G8 d'un transistor Q5, Q6, Q7 et Q8 appartenant à un deuxième étage de filtrage EF2, les transistors sont couplés deux par deux au niveau de leurs source S5 , S6, S7, S8, une source d'un premier transistor d'une paire étant reliée à la sa source d'un deuxième transistor, ou o la sortie de chaque transistor Q5, Q6, Q7 et Q8 est chargée par un circuit LiCi (filtre en pi symétrique), o deux sorties du deuxième étage de filtrage EF2 dont les signaux sont déphasés de 180° sont reliées aux deux entrées d'un premier amplificateur différentiel U1 et d'un deuxième amplificateur différentiel U2, o la sortie SU1 du premier amplificateur différentiel est reliée à un troisième étage de filtrage et la sortie SU2 du deuxième amplificateur différentiel est reliée au troisième étage de filtrage constitué de deux ponts LC(filtre en pi), o les deux signaux filtrés sont ensuite transmis respectivement à un convertisseur analogique numérique CAN1, CAN2.30 Les signaux transmis sur le premier amplificateur différentiel et sur le deuxième amplificateur différentiel sont par exemple répartis de la manière suivante : le signal déphasé de 0° est transmis à une première entrée d'un premier amplificateur différentiel et le signal déphasé de 180° se trouve sur une deuxième entrée du même amplificateur différentiel U1, le signal déphasé de 90° est relié à une première entrée d'un deuxième amplificateur différentiel U2 et le signal déphasé de 270° est relié à une deuxième entrée du même amplificateur différentiel. Les caractéristiques des circuits RC du premier étage de filtrage peuvent être 10 adaptées pour obtenir une pente de 6dB par octave. Les caractéristiques des composants L;, C; peuvent être adaptées pour obtenir une pente de filtrage de 12 dB par octave. Les caractéristiques des composants du pont LC du troisième étage de filtrage sont, par exemple, adaptées pour obtenir une pente de filtrage de 12 15 dB par octave. Selon un mode de réalisation, la structure LiCi respecte une structure butterworth. L'invention peut être utilisé pour des signaux ayant une dynamique comprise entre 3dBm pour le signal le plus fort et -160 dBm pour le faible dans 1 Hz de 20 bande passante ou dans une bande passante de 5 KHz de + 3dBm pour le signal fort et -123 dBm pour le signal faible. D'autres caractéristiques et avantages du dispositif selon l'invention apparaîtront mieux à la lecture de la description qui suit d'un exemple de 25 réalisation donné à titre illustratif et nullement limitatif annexé de la figure unique 1 qui représente un exemple d'architecture d'un mélangeur direct à échantillonneur bloqueur selon l'invention. L'exemple donné pour mieux illustrer le dispositif selon l'invention vise des 30 signaux dont la dynamique est comprise entre 3dBm pour le signal le plus fort et -160 dBm pour le faible dans 1 Hz de bande passante ou dans une bande passante de 5 KHz de + 3dBm pour le signal fort et -123 dBm pour le signal faible. Ces fourchettes ne sont données qu'à titre illustratif et nullement limitatif pour mieux faire comprendre l'invention. Sur la figure 1 de la planche unique est représenté un exemple d'architecture d'un mélangeur direct avec échantillonneur bloqueur selon l'invention. Le sigal radio fréquence SRF, ayant une fréquence FRF est composé du signal utile Su et d'éventuels signaux de brouillage qui peuvent gêner son exploitation. Ce signal RF radiofréquencepasse à travers un dispositif de transposition en fréquence T, ayant notamment pour fonction d'exécuter une transposition en bande de base sur le signal d'entrée. Le signal transposé SB est ensuite transmis simultanément à 4 transistors Q1, Q2, Q3 et Q4 fonctionnant en commutation. Un signal oscillateur local de fréquence Foi est appliqué sur les grilles G1, G2, G3 et G4 des transistors. Chacun des transistors Q1, Q2, Q3 et Q4 est ainsi soumis à une fréquence d'oscillateur identique mais avec des phases différentes. Sur le premier transistor Q1, la phase est de 0°, sur le deuxième transistor Q2 de 180°, sur le troisième transistor Q3 de 90° et sur le quatrième transistor Q4 de 270°. Ainsi en sortie du transistor Q1, le signal SBO a un déphasage de 0°, ce signal correspond au signal RF mélangé au signal de l'oscillateur local Soi déphasé de 0°. En sortie de Q2, le signal SB18O correspond au signal transposé SB déphasé de 180°. En sortie de Q3, le signal obtenu correspond au signal de base transposé déphasé de 90°. En sortie de Q4 le signal SB270 est déphasé de 270° par rapport au signal d'entrée SB. La valeur de fréquence Foi de l'oscillateur local OL est choisie voisine ou égale à celle du signal RF à transposer afin que la bande de modulation transposée reste dans la bande de base du filtrage BF réalisé par les filtres détaillés ci-après. Ces déphasages obtenus en injectant une fréquence Foi permettent de ne conserver que la partie basse du spectre du signal RF. La sortie S1, S2, S3 et S4 de chacun des transistors respectivement Q1, Q2, Q3 et Q4 est chargée par un réseau RiCi, notés R1 Cl, R2C2, R3C3 et R4C4. Le rôle de ce réseau est notamment de charger le condensateur par une tension résultante de la multiplication entre chacun des signaux issus des différents filtres et le signal Foi. Cela correspond à l'enveloppe du signal résultant. Les condensateurs Cl, C2, C3, C4 sont chargés par la résistance série présentée par le transistor lorsqu'il est conducteur et la décharge est réalisée dans les résistances R1, R2, R3 et R4 respectivement. Les signaux SBO, SB180, SB90 et SB270 sont individuellement transmis à un système de mémorisation par condensateur constitué chacun d'une capacité Cl, C2, C3, C4 mise en parallèle avec une résistance respectivement R1, R2, R3, R4, chaque résistance étant reliée à une masse M. Le signal bande de base est ainsi filtré, ce qui constitue un premier niveau de filtrage EF1 avec une pente par exemple de 6dB par octave. Les signaux issus de ces quatre filtres F1 = R1 Cl, F2=R2C2, F3=R3C3 et F4=R4C4 notés respectivement SF1, SF2, SF3 et SF4 sont envoyés sur la grille G5, G6, G7 et G8 d'un transistor, respectivement sur les transistors Q5, Q6, Q7 et Q8. Ces transistors sont reliés par paire de la manière suivante : la source S5 du transistor Q5 est reliée à la source S6 du transistor Q6, les deux sources S7 et S8 des transistors Q7 et Q8 sont reliées ensemble. Ceci peut être vu comme un groupe de deux transistors qui vont être disposés en amont d'un deuxième étage de filtrage EF2 et des amplificateurs différentiels détaillés ci-après. Le fonctionnement des transistors est équivalent à celui de commutateurs qui conduisent dès que la tension de commande Vci appliquée sur la grille Gi du transistor Qi est supérieure à la tension de la source Vsi. Deux transistors Q5, Q6 et Q7, Q8 conduisent en même temps afin d'obtenir une tension continue identique ou sensiblement identique sur les deux sorties D5, D6, et D7 et D8 et ainsi d'éliminer la tension continue résiduelle par l'utilisation d'un amplificateur différentiel placé après (diminution des pollutions du mode commun). Les signaux S'F1, S'F2, S'F3 et S'F4 issus des transistors Q5, Q6 et Q7, Q8 sont transmis à un deuxième étage de filtrage EF2 constitué de capacités C; et d'inductances L; dont les valeurs caractéristiques ainsi que l'agencement permettent d'avoir un filtrage complémentaire de 12 dB par octave, par exemple. Le filtre constitué par les composants L1, C5, L2, C6 est, par exemple, un filtre de structure butterworth qui permet de limiter le temps de groupe du filtre tous en offrant une bonne réjection. En sortie de ce deuxième étape de filtrage, les signaux déphasés de 180° et filtrés SB' O, SB"180, SB..9O et SB°270 sont transmis chacun sur une entrée Ei d'un amplificateur différentiel U1 et U2. U1 reçoit sur ses deux entrées El et E'1 les signaux filtrés et déphasés SB..O, SB' 180 et U2 reçoit sur ses deux entrées E2 et E'2 les signaux filtrés et déphasés SBä9O, SB''27O. En sortie SU1 de U1 et SU2 de U2, les deux signaux SA1 et SFA2 sont déphasés de 90°. Les signaux amplifiés SA1 et SA2 sont ensuite envoyés sur un troisième étage de filtrage EF3 composé d'un pont constitué lui-même de deux capacités disposées en parallèle et d'une inductance. Ce troisième étage de filtrage permet d'obtenir un filtrage complémentaire de 12 dB par octave. Le déphasage de 90° entre les signaux SA1 et SA2 permet un traitement complexe des données constituant le signal. Les signaux filtrés S'Al et S'A2 sont ensuite transmis à un convertisseur analogique numérique CAN1, CAN2 avant d'être transmis à un dispositif de traitement de signal de type DSP par exemple abréviation anglo-saxonne connue pour Digital Signal Processing. L'invention utilisant un montage à haute dynamique et faible facteur de bruit pour transposer le signal RF reçu au niveau d'un récepteur en bande de base offre notamment les avantages suivants : • Elle permet de palier les limitations de dynamique des convertisseurs analogique numérique en ajoutant des filtrages répartis à différents endroits de la chaîne et un complément d'amplification afin de limiter l'impact de facteur de bruit des convertisseurs analogique numériques. • Un tel schéma peut être utilisé en sous-harmonique. Dans ce cas, il y a une perte de signal en fonction du niveau d'harmonique choisi. Le pré-filtrage permet de ne recevoir quel l'harmonique qui est requise. Le montage selon l'invention possède une propriété de recevoir un signal en sous échantillonnage c'est à dire que tout signal en relation sous harmonique avec le signal d'entrée pourra être transposé en bande de base avec une atténuation en 20LOG (du rang harmonique) par rapport au signal à fréquence fondamentale d'ou la nécessité de faire précéder le montage par un filtre. La bande de couverture obtenue est très large. En effet, le montage de l'invention n'est limité en fréquence que par les capacités parasites et les temps de montée et descente des transistors utilisés en commutation donc il n'y a pas de limitation vers les fréquences basse. La limitation vers les fréquences hautes se situe avec les technologies actuelles tous en ayant la dynamique requise au environ de 600 Mhz et voisine de 2 GHz avec une perte de dynamique d'environ 15 dB sur plusieurs octave avec pré-filtrage. L'inter-modulation est améliorée par rapport aux montages précédents par un gain uniquement en bande de base avec des fonctions à contre réaction, ce qui confère au montage une � haute linéarité �. REVENDICATIONS1 û Dispositif mélangeur direct à transistor et échantillonneur bloqueur 5 caractérisé en ce qu'il comporte en combinaison au moins les éléments suivants : o un dispositif Ti adapté à transposer en bande de base un signal radio-fréquence, o la sortie ST1 du dispositif de transposition est reliée à quatre 10 transistors Q1, Q2, Q3 et Q4 au niveau du drain Dl, D2, D3 et D4, la grille G1, G2, G3 et G4 de chacun des transistors Q1, Q2, Q3 et Q4 est reliée à une source S1, S2, S3 et S4 délivrant une fréquence d'oscillateur sensiblement identique sur chaque transistor avec des phases différentes distribuées de la manière suivante : déphasage 0° 15 sur la grille du premier transistor Q1, déphasage de 180° sur la grille du deuxième transistor Q2, déphasage de 90° sur la grille du troisième transistor et déphasage de 270° sur la grille du quatrième transistor Q4, la valeur de fréquence Foi de l'oscillateur étant proche de celle du signal radio-fréquence à transposer, 20 o chaque sortie S1, S2, S3 et S4 des transistors Q1, Q2, Q3 et Q4 est reliée à un premier étage de filtrage EF1 constitué de plusieurs réseaux RiCi, ayant des caractéristiques adaptées à filtrer le signal issu de la sortie des transistors, o le premier étage de filtrage EF1 possède quatre sorties, chacune de 25 ces sorties est reliée à la grille G5, G6, G7 et G8 d'un transistor Q5, Q6, Q7 et Q8 appartenant à un deuxième étage de filtrage EF2, les transistors sont couplés deux par deux au niveau de leurs sources S5, S6, S7, S8, une source d'un premier transistor d'une paire étant reliée à la sa source d'un deuxième transistor, ou 30 o la sortie de chaque transistor Q5, Q6, Q7 et Q8 est chargée par un circuit LiCi,o deux sorties du deuxième étage de filtrage EF2 dont les signaux sont déphasés de 180° sont reliées aux deux entrées d'un premier amplificateur différentiel U1 et d'un deuxième amplificateur différentiel U2, o la sortie SU1 du premier amplificateur différentiel est reliée à un troisième étage de filtrage et la sortie SU2 du deuxième amplificateur différentiel est reliée au troisième étage de filtrage constitué de deux ponts LC, o les deux signaux filtrés sont ensuite transmis respectivement à un convertisseur analogique numérique CAN1, CAN2. 2 ù Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que la répartition des signaux transmis sur le premier amplificateur différentiel et sur le deuxième amplificateur différentiel est de la forme suivante : le signal déphasé de 0° est relié à une première entrée d'un premier amplificateur différentiel et le signal déphasé de 180° est relié à une deuxième entrée du même premier amplificateur différentiel U1, le signal déphasé de 90° est relié à une première entrée d'un deuxième amplificateur différentiel U2 et le signal déphasé de 270° est relié à une deuxième entrée du même deuxième amplificateur différentiel. 3 ù Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que les caractéristiques des circuits RC du premier étage de filtrage sont adaptées pour obtenir une pente de 6dB par octave. 4 ù Dispositif selon l'une des revendications 1 ou 2 caractérisé en ce que les caractéristiques des composants L;, C; sont adaptées pour obtenir une pente de filtrage de 12 dB par octave.255 û Dispositif selon l'une des revendications 1 à 3 caractérisé en ce que les caractéristiques des composants du pont LiCi du troisième étage de filtrage sont adaptées pour obtenir une pente de filtrage de 12 dB par octave. 6 û Dispositif selon la revendication 5 caractérisé en ce que le circuit LiCi a une structure butterworth. 7 û Utilisation du dispositif selon l'une des revendications 1 à 6 pour des signaux ayant une dynamique comprise entre 3dBm pour le signal le plus fort ~o et -160 dBm pour le faible dans 1Hz de bande passante ou dans une bande passante de 5 KHz de + 3dBm pour le signal fort et -123 dBm pour le signal faible.