Brevet FR2937203A1 — publié le 20100416

Le domaine de l'invention est celui de la transmission de données numériques sur une liaison série en bande de base entre un émetteur et un récepteur reliés par un canal de communication. L'invention concerne plus précisément un dispositif de reconstitution du signal d'horloge du message série en bande de base transmis sur un tel canal de communication, ainsi qu'un système de transmission de données incorporant un tel dispositif. Dans les liaisons numériques série en bande de base, il est nécessaire, au niveau du récepteur, d'extraire du signal reçu d'une part les données 1 o numériques transmises successivement par ce signal reçu et d'autre part le signal d'horloge correspondant à ces données. On connaît deux méthodes pour récupérer le rythme binaire du signal reçu. Selon une première méthode, on émet le signal d'horloge en le 15 superposant au signal de données sur le canal de transmission. Cette première méthode présente l'inconvénient de consommer une partie de la puissance émise, nécessaire au signal, ainsi qu'une partie de la bande passante utile du canal de transmission. Selon une seconde méthode, on restitue l'horloge à partir des 20 transitions du signal. Il faut donc transmettre des signaux tels que le récepteur puisse trouver de nombreuses transitions, même pour des suites de bits identiques. Cette contrainte exclut l'utilisation du codage NRZ (� Non Return to Zero � désignant le codage � non-retour à zéro �). Aujourd'hui, les circuits d'extraction d'horloge sont généralement 25 réalisés à partir d'une boucle à verrouillage de phase, dite PLL, qui comprend principalement un comparateur de phase qui délivre un signal de consigne à un oscillateur contrôlé en tension via un filtre de boucle. Une PLL réalise ainsi une adaptation permanente de la phase du signal d'horloge délivré par l'oscillateur à la phase du signal reçu en modifiant légèrement la 30 fréquence de l'oscillateur pour rattraper le décalage de phase éventuel. Plus précisément, lorsque les signaux (horloge et données) ne sont pas en phase, le comparateur de phase génère une tension d'erreur. Le filtre de boucle filtre cette tension d'erreur et sa tension moyenne pilote directement l'oscillateur. En revanche, lorsque la boucle est verrouillée, les deux signaux sont en phase et aucune tension d'erreur n'est générée. Dans le cas de transmission de données comprenant de longues séries de bits identiques (donc sans transitions, ce qui est en particulier le cas du codage NRZ), aucune tension d'erreur n'est disponible et l'oscillateur est alors susceptible de dériver et de rompre le verrouillage. Toutefois, outre sa relative simplicité, le codage NRZ présente l'avantage de présenter un spectre relativement restreint ce qui permet d'envisager son utilisation sur des supports à bande étroite car l'occupation spectrale du signal est alors limitée, ou dans des applications nécessitant de minimiser la bande passante occupée par une transmission numérique série. En particulier, le codage NRZ s'avère avantageux dans le cas où l'on utilise une seule ligne de transmission mutualisée pour la transmission de puissance électrique et de données bidirectionnelles entre un émetteur et un récepteur. L'invention a pour objectif de proposer une technique permettant de reconstituer le signal d'horloge d'un message série en bande de base à partir des transitions du signal, qui présente une très bonne insensibilité aux absences de transitions. Notamment, l'invention vise à permettre la reconstitution de l'horloge à partir des transitions d'un signal NRZ. A cet effet, l'invention propose, selon un premier aspect, un dispositif de reconstitution d'un signal d'horloge d'un signal série en bande de base, comprenant : • un circuit générateur d'impulsions adapté pour générer des impulsions à chaque transition, montante ou descendante, du signal série en bande de base ; • une boucle à verrouillage de phase comprenant un oscillateur contrôlé en tension qui génère un signal de sortie d'oscillateur et un filtre délivrant un signal de consigne à l'oscillateur ; caractérisé en ce que la boucle à verrouillage de phase comporte en outre un interrupteur intercalé entre l'oscillateur et le filtre dont la commutation est commandée par la sortie du circuit générateur d'impulsions, et en ce que le filtre est un filtre passe-bas, de telle sorte que : • en présence d'une impulsion générée par le circuit générateur d'impulsions, l'interrupteur est fermé et le filtre moyenne alors le signal de sortie d'oscillateur traversant l'interrupteur pour délivrer le signal de consigne à l'oscillateur ; • en absence d'une impulsion générée par le circuit générateur d'impulsions, l'interrupteur est ouvert et le filtre mémorise alors un signal de niveau constant pour délivrer le signal de consigne à l'oscillateur. Certains aspects préférés, mais non limitatifs, de ce dispositif sont les suivants : - le circuit générateur d'impulsions génère des impulsions dont la durée correspond à une demi-période de l'élément binaire du signal série en bande de base ; - le circuit générateur d'impulsions comprend une ligne à retard pour retarder le signal série en bande de base d'une demi-période de l'élément binaire dudit signal série en bande de base, et une porte logique OU-Exclusif permettant de comparer le signal série en bande de base et le signal série en bande de base retardé par la ligne à retard ; - la ligne à retard est une ligne à constante répartie ; - le circuit générateur d'impulsions est incorporé dans un circuit intégré monolithique ; - le filtre passe-bas comporte des condensateurs adaptés : • une fois la boucle verrouillée, lorsque l'interrupteur est fermé, pour se charger si le signal de sortie d'oscillateur est à l'état haut ou 4 se décharger si le signal de sortie d'oscillateur est à l'état bas, de manière à délivrer un signal de consigne moyen à l'oscillateur ; • lorsque l'interrupteur est ouvert, pour mémoriser la tension de manière à délivrer un signal de consigne constant à l'oscillateur ; - l'oscillateur est un oscillateur à quartz contrôlé en tension ; - le signal série en bande de base est un signal NRZ ; - le signal série en bande de base est reçu depuis une ligne de transmission véhiculant les fronts montants ou descendants du signal série en bande de base, et comprenant en outre un comparateur à hystérésis apte 1 o à reconstituer les états binaires du message du signal série en bande de base ; - le dispositif comprend en outre une bascule de décision permettant de resynchroniser le signal série en bande de base en recopiant ledit signal à chaque front descendant du signal de sortie d'oscillateur ; et 15 - le dispositif comprend en outre un inverseur permettant d'inverser le signal de sortie d'oscillateur pour obtenir l'horloge de référence pour l'échantillonnage du message de sortie resynchronisé. Selon un second aspect, l'invention propose un système de transmission de données numériques sur une liaison série en base de base, 20 comprenant un émetteur et un récepteur reliés par un canal de transmission, caractérisé en ce que le récepteur comprend un dispositif selon le premier aspect de l'invention. D'autres aspects, buts et avantages de la présente invention apparaîtront mieux à la lecture de la description détaillée suivante de formes 25 de réalisation préférées de celle-ci, donnée à titre d'exemple non limitatif, et faite en référence aux dessins annexés sur lesquels : - la figure 1 est un schéma représentant un mode de réalisation possible du dispositif selon le premier aspect de l'invention ; - la figure 2 représente des chronogrammes des différents signaux de la 30 figure 1 ; - la figure 3 représente un comparateur à hystérésis pouvant être utilisé dans le cadre de l'invention pour reconstituer les états binaires du message du signal série en bande de base. En référence à la figure 1, on a représenté un dispositif de reconstitution d'un signal d'horloge d'un signal série en bande de base 1 selon un mode de réalisation possible du premier aspect de l'invention. Un tel dispositif 1 est typiquement destiné à être incorporé dans un récepteur relié par l'intermédiaire d'un canal de communication à un transmetteur. On précise ici que dans le cadre de transmission 1 o bidirectionnelle de données entre l'émetteur et le récepteur, l'émetteur incorpore également un dispositif de reconstitution d'horloge conforme au premier aspect de l'invention. Dans le cadre de l'invention, le message série en bande de base dont les transitions vont être utilisée pour reconstituer son horloge est 15 typiquement un message NRZ. L'invention n'est toutefois pas limitée à ce codage particulier, et à vocation à s'étendre à d'autre type de codage, et particulier à des codages ne présentant pas de transitions lors de séries de bits identiques. Sur la figure 1, l'étiquette � NRZ-In� représente le message numérique 20 série reçu NRZ-D disponible en entrée du dispositif de reconstitution d'horloge 1. Les étiquettes � NRZ-OUT � et � Ck-OUT � représentent quant à elles les sorties du dispositif de reconstitution d'horloge 1, à savoir respectivement le message numérique resynchronisé NRZ-S et l'horloge de référence Hor-S pour l'échantillonnage du message numérique reçu 25 resynchronisé NRZ-S. Comme représenté sur le chronogramme de la figure 2, le message numérique série reçu NRZ-D disponible en entrée du dispositif de reconstitution d'horloge est composé d'une suite d'états binaires présentant une absence de transitions AT lors d'une succession de bits identiques. 30 On précise ici que les états binaires peuvent ne pas être transmis sur le canal de communication entre l'émetteur et le récepteur, mais seulement leurs transitions. Le canal de communication véhicule ainsi les fronts montants ou descendants du signal série en bande de base. Dans un tel cas de figure, le dispositif de reconstitution d'horloge 1 comprend avantageusement un comparateur à hystérésis apte à reconstituer les états binaires du message du signal série en bande de base. Comme représenté sur la figure 3, le comparateur à hystérésis 11 peut notamment être réalisé par deux comparateurs simples 12a, 12b (le comparateur 12a comparant le signal reçu depuis le canal de communication � Line-In � avec un Seuil haut, le comparateur 12 comparant le signal reçu depuis le canal de communication � Line-In � avec un Seuil bas) suivis d'une bascule RS 13 assurant la mémorisation des états transitoires et fournissant le message NRZ-In. Revenant à la figure 1, le dispositif de reconstitution d'horloge 1 comprend un circuit générateur d'impulsions 2 adapté pour générer des impulsions à chaque transition, montante ou descendante, du message reçu NRZ-D. Selon un mode de réalisation possible, le circuit générateur d'impulsions 2 comprend une ligne à retard 3 pour retarder le message reçu NRZ-D d'une demi-période de l'élément binaire dudit message NRZ-D. La ligne à retard 3 fournit en sortie un message numérique reçu retardé d'un demi-bit NRZ-R (voir chronogramme sur la figure 2). La ligne à retard 3 est préférentiellement une ligne à constante répartie (c'est-à-dire une ligne adaptée, dont la longueur dépend du retard désiré). Dans un tel cas de figure, le circuit générateur d'impulsions peut avantageusement être incorporé dans un circuit intégré monolithique. La ligne à retard 3 peut également être constituée par une ligne à constantes localisées (sous la forme d'une suite de réseau LC), ou un registre à décalage échantillonné à cadence élevé, ou encore par mise en série de portes logiques élémentaires. Le circuit générateur d'impulsions 2 comprend en outre une porte logique OU-Exclusif 4 permettant de comparer le message reçu NRZ-D et le message reçu retardé NRZ-R. Les transitions, montantes ou descendantes, du message reçu NRZ-D sont ainsi mises en évidence dans le message Cde-S disponible en sortie de la porte OU-Exclusif 4 par un état logique 1 d'une durée correspondant à un demi-période de l'élément binaire du message reçu. Un chronogramme du message Cde-S, correspondant à la sortie du circuit générateur d'impulsions 2, est représenté sur la figure 2. Le dispositif de reconstitution d'horloge 1 comprend en outre une boucle à verrouillage de phase 5 permettant de réaliser un asservissement se verrouillant en phase (une position stable sur 360°) au moment des transitions quand elles ont lieu (c'est-à-dire à des positions temporelles prédéterminées) mais qui peuvent être absentes lors de suites de 0 ou de 1 dans le message reçu NRZ-D. La boucle 5 est ainsi apte à reconstituer l'horloge bit d'un message NRZ, tout en supportant des absences de transitions. On notera que les inventeurs ont pu valider le bon fonctionnement du dispositif de reconstitution d'horloge malgré des absences de transitions portant jusqu'à 3000 bits consécutifs. La boucle 5 comprend un oscillateur contrôlé en tension 6 (également dénommé VCO selon la dénomination anglo-saxonne Voltage Controlled Oscillator) qui génère un signal de sortie d'oscillateur VCO-S périodique dont la fréquence est proportionnelle à la tension appliquée sur son entrée, et un filtre 7 délivrant un signal de consigne VCO-E à l'oscillateur 6. L'oscillateur 6 est de préférence un oscillateur à quartz contrôlé en tension (VCXO selon � Voltage Controlled Crystal Oscillator �). Un VCXO présente en effet une plage de fréquence d'émission très restreinte (inférieure à 10/0 de la fréquence centrale) et parfaitement connue. La boucle 5 comporte en outre un interrupteur 8 intercalé entre l'oscillateur 6 et le filtre 7, dont la commutation est commandée par la sortie Cde-S du circuit générateur d'impulsions 2. Quand la boucle est verrouillée en phase, une transition montante de la sortie de l'oscillateur VCO 6 se produit pendant la durée de conduction de l'interrupteur 8. En sortie de l'interrupteur 8, l'état électrique de la ligne varie entre : Haute impédance, interrupteur ouvert. Le filtre passe bas 7 conserve la mémoire analogique de la tension précédemment échantillonnée. Niveau logique 0 : valeur électrique proche de 0V. Niveau logique 1 : valeur électrique proche de la tension d'alimentation des circuits logiques (5V, 3.3V, 2.5V typiquement). Quand l'interrupteur 8 est fermé, c'est-à-dire quand le circuit générateur d'impulsions 2 positionne le signal Cde-S à 1 (état actif), le filtre passe-bas 7 1 o intègre une composante moyenne dépendante de l'erreur de phase du signal VCO-S sortant de l'oscillateur contrôlé 6. Si la phase se décale dans un sens, la tension moyenne augmente et la fréquence du signal VCO-S augmente aussi, si la phase se décale dans l'autre sens, la fréquence diminue. Ces décalages de fréquences impliquent des augmentations ou 15 diminutions des composantes moyennes, tendant à faire converger le système vers une position stable, asservie en phase. On relèvera ici que deux phases sont théoriquement stables (0° et 360°), mais qu'en réalité une seule l'est réellement. En effet, il s'agit dans un cas d'un équilibre convergent (un petit écart provoquera une tension 20 poussant à retourner vers le point d'équilibre), et dans l'autre cas d'un équilibre divergent (un petit écart entraînera un déséquilibre encore plus important, et au final une rotation de 180° pour trouver l'équilibre stable et convergent). En l'absence d'une impulsion générée par le circuit générateur 25 d'impulsions 2, l'interrupteur 8 est ouvert et le filtre 7 mémorise alors un signal de niveau constant pour délivrer le signal de consigne VCO-E à l'oscillateur 6. Plus précisément, le filtre passe-bas 7 comporte des éléments adaptés : 30 • une fois la boucle verrouillée, lorsque l'interrupteur 8 est fermé, pour se charger si le signal de sortie d'oscillateur VCO-S est à l'état haut ou se décharger si le signal de sortie d'oscillateur VCO-S est à l'état bas, de manière à délivrer un signal de consigne moyen à l'oscillateur ; • lorsque l'interrupteur 8 est ouvert, pour mémoriser la tension de manière à délivrer un signal de consigne constant VCO-E à l'oscillateur. • pour assurer une fonction de filtrage (réduction) du bruit de phase de l'horloge restituée vis-à-vis du bruit de phase du message entrant. On notera que les essais réalisés par les inventeurs ont montré une forte insensibilité à l'absence de transitions (jusqu'à 3000 bits consécutifs), très au-delà des besoins réels, ainsi qu'une bonne capacité de réduction des 1 o bruits de phase en cas de chaînages successifs de coupleurs du même type. On notera également que l'impédance d'entrée du VCO 6 étant considérée comme infinie, celle-ci est sans impact sur la charge ou la décharge des condensateurs du filtre 7. La structure du filtre passe bas 7 permettant d'atteindre ces 15 performances est par exemple du type du premier ordre passif à deux coupures. • Une première coupure est liée aux éléments R1 et C2 (coupure très basse fréquence). C'est cette première coupure qui assure principalement la fonction de mémorisation � long terme � en cas 20 d'absence de transition du message reçu ainsi que le filtrage des bruits de phase du message reçu. • Un réseau atténuateur (R1 et R2) autorise un gain de boucle résiduel suffisant jusqu'à la deuxième fréquence de coupure (haute fréquence) liée à R1 et Cl. C'est cette deuxième fréquence de coupure qui permet 25 de réaliser le meilleur compromis entre stabilité (marge de phase) et vitesse de comportement sur les transitoires. La figure 2 représente es chronogrammes : - du message Cde-S en sortie du circuit générateur d'impulsions servant de commande pour l'ouverture et la fermeture de l'interrupteur 8 ; 3o - du message Cde-VCO correspondant au signal de consigne de l'oscillateur 6 avant filtrage ; - du message VCO-E correspondant au signal de consigne de l'oscillateur 6 après filtrage ; - du message VCO-S correspondant à la sortie de l'oscillateur 6. Comme indiqué précédemment, le message Cde-S présente une impulsion suite à une transition du message reçu NRZ-D. Le message Cde-VCO est ainsi à la valeur mémorisée en Cl et C2 en absence d'une impulsion (l'interrupteur 8 est alors ouvert), tandis qu'il recopie la sortie VCO-S de l'oscillateur en présence d'une impulsion (l'interrupteur 8 est alors fermé). Le message VCO-E en sortie du filtre 7 est ainsi constant lorsque le message Cde-S est inactif (état bas) en absence d'une transition (le filtre jouant alors, via ses condensateurs, le rôle d'une mémoire analogique apte à mémoriser et à délivrer un signal de consigne constant à l'oscillateur), tandis que le filtre 7 délivre une tension de commande moyenne à l'oscillateur lorsque le message Cde-VCO recopie la sortie VCO-S de l'oscillateur (le filtre jouant alors, via la charge et la décharge des condensateurs, le rôle d'un filtre passe-bas permettant de fournir une tension stable à l'oscillateur). Dans la mesure où une tension de commande stable est délivrée par le filtre (dans sa fonction passe-bas) à l'oscillateur, la fonction passe-bas du filtre 7 permet en outre d'obtenir une fréquence à faibles bruits de phase et d'amplitude en sortie de l'oscillateur 6, ce qui permet après échantillonnage de restituer un message NRZ à bruits de phase plus réduits que l'original. Le dispositif de reconstitution d'horloge 1 comporte en outre une bascule de décision 9 permettant de resynchroniser le signal série reçu. Comme représenté sur la figure 1, la bascule de décision 9 recopie sur la sortie Q (message de sortie NRZ-S dont le chronogramme est représenté sur la figure 2) le signal disponible sur l'entrée D (message reçu retardé NRZ-R) à chaque front descendant du signal de sortie d'oscillateur VCO-S. Le dispositif de reconstitution d'horloge 1 comporte en outre un inverseur 10 (porte logique NON) permettant d'inverser le signal de sortie 11 d'oscillateur VCO-S pour obtenir l'horloge de référence Hor-S pour l'échantillonnage du message de sortie resynchronisé NRZ-S. Outre sa fonction de reconstitution de l'horloge bit du message numérique série reçu supportant des absences de transition, et sa fonction de régénération du message numérique série reçu en diminuant les bruits de phase et d'amplitude, le dispositif selon le premier aspect de l'invention présente les avantages suivants : il est relativement simple et facilement reproductible ; il peut être implémenté en ASIC ou FPGA mixte (analogique et numérique) ; il peut fonctionner à des cadences élevées (plusieurs dizaines de MHz) ; il ne met pas en oeuvre de composants complexes, et est ainsi facilement justifiable au regard de la norme aéronautique DO254. On a dans ce qui précède décrit une implémentation analogique du dispositif selon le premier aspect de l'invention. L'invention n'est toutefois pas limitée à ce type d'implémentation et peut à cet égard être mise en oeuvre dans une version complètement numérique (registre à décalage pour la fonction retard, oscillateur VCO numérique, filtre passe-bas 7 remplacé par un accumulateur numérique). On retiendra que cette version numérique est plus spécifiquement destinée aux applications basse fréquence (par exemple jusqu'à 1 Mbits/s). On précise par ailleurs que l'invention n'est pas limitée à un dispositif selon son premier aspect, mais s'étend également à un système de transmission de données numériques sur une liaison série en base de base, comprenant un émetteur et un récepteur reliés par un canal de transmission, où le récepteur comprend un dispositif selon le premier aspect de l'invention. Un tel système est par exemple un système avionique reliant un contrôleur central (émetteur) à un ou plusieurs périphériques distants du type capteurs ou actionneurs de commande de vol (récepteurs) par l'intermédiaire d'un canal de communication. Le canal de communication peut notamment REVENDICATIONS1. Dispositif (1) de reconstitution d'un signal d'horloge d'un signal série en 5 bande de base (NRZ-D), comprenant : • un circuit générateur d'impulsions (2) adapté pour générer des impulsions à chaque transition, montante ou descendante, du signal série en bande de base (NRZ-D); • une boucle à verrouillage de phase (5) comprenant un oscillateur 10 contrôlé en tension (6) qui génère un signal de sortie d'oscillateur (VCOS) et un filtre (7) délivrant un signal de consigne (VCO-E) à l'oscillateur (6) ; caractérisé en ce que la boucle à verrouillage de phase (5) comporte en outre un interrupteur (8) intercalé entre l'oscillateur (6) et le filtre (7) dont la 15 commutation est commandée par la sortie (Cde-S) du circuit générateur d'impulsions (2), et en ce que le filtre (7) est un filtre passe-bas, de telle sorte que : • en présence d'une impulsion générée par le circuit générateur d'impulsions (2), l'interrupteur (8) est fermé et le filtre (7) moyenne alors 20 le signal de sortie d'oscillateur (VCO-S) traversant l'interrupteur pour délivrer le signal de consigne (VCO-E) à l'oscillateur ; • en absence d'une impulsion générée par le circuit générateur d'impulsions (2), l'interrupteur (8) est ouvert et le filtre (7) mémorise alors un signal de niveau constant pour délivrer le signal de consigne (VCO-E) 25 à l'oscillateur. 2. Dispositif selon la revendication 1, dans lequel le circuit générateur d'impulsions (2) génère des impulsions dont la durée correspond à une demi-période de l'élément binaire du signal série en bande de base (NRZ-D). 3. Dispositif selon la revendication 2, dans lequel le circuit générateur d'impulsions (2) comprend une ligne à retard (3) pour retarder le signal série 30 en bande de base (NRZ-D) d'une demi-période de l'élément binaire dudit signal série en bande de base, et une porte logique OU-Exclusif (4) permettant de comparer le signal série en bande de base (NRZ-D) et le signal série en bande de base retardé (NRZ-R) par la ligne à retard (3). 4. Dispositif selon la revendication précédente, dans lequel la ligne à retard (3) est une ligne à constante répartie. 5. Dispositif selon la revendication 4, dans lequel le circuit générateur 10 d'impulsions (2) est incorporé dans un circuit intégré monolithique. 6. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, dans lequel le filtre passe-bas (7) comporte des condensateurs adaptés : • une fois la boucle verrouillée, lorsque l'interrupteur est fermé, pour se 15 charger si le signal de sortie d'oscillateur est à l'état haut ou se décharger si le signal de sortie d'oscillateur est à l'état bas, de manière à délivrer un signal de consigne moyen à l'oscillateur ; • lorsque l'interrupteur est ouvert, pour mémoriser la tension de manière à délivrer un signal de consigne constant à l'oscillateur. 20 9. Dispositif selon l'une des revendications précédente, caractérisé en ce que l'oscillateur est un oscillateur à quartz contrôlé en tension. 10. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, dans lequel le 25 signal série en bande de base est un signal NRZ. 11. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, dans lequel le signal série en bande de base est reçu depuis une ligne de transmission véhiculant les fronts montants ou descendants du signal série en bande de 30 base, et comprenant en outre un comparateur à hystérésis apte à reconstituer les états binaires du message du signal série en bande de base.510. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, comprenant en outre une bascule de décision (9) permettant de resynchroniser le signal série en bande de base en recopiant ledit signal à chaque front descendant du signal de sortie d'oscillateur (VCO-S). 11. Dispositif selon la revendication précédente, comprenant en outre un inverseur (10) permettant d'inverser le signal de sortie d'oscillateur (VCO-S) pour obtenir l'horloge de référence (Hor-S) pour l'échantillonnage du message de sortie resynchronisé (NRZ-S). 12. Système de transmission de données numériques sur une liaison série en base de base, comprenant un émetteur et un récepteur reliés par un canal de transmission, caractérisé en ce que le récepteur comprend un dispositif (1) selon l'une quelconque des revendications précédentes.