Brevet FR3090886A1 — publié le 20200626

Description Titre de l'invention : Dispositif d'analyse d'un signal et procédé associé [0001] La présente invention concerne un dispositif (l'analyse (l'un signal. L'invention se rapporte également à une plate-forme comportant un tel dispositif et à un procédé d'analyse. [0002] Pour certaines applications, il est souhaitable de réaliser des analyses spectrales en temps réel ou en temps court sur des signaux large bande, typiquement présentant un spectre supérieur ou égal à 10 GHz, afin de caractériser leurs propriétés intrinsèques, comme le nombre de signaux, la fréquence ou leur durée. [0003] Pour cela, il est connu de réaliser la numérisation du signal en utilisant un échan- tillonneur-hloqueur large bande fonctionnant à une fréquence d'échantillonnage donnée associée à un dispositif de conversion analogique-numérique. Pour des signaux large bande, les performances des échantillonneurs-bloqueurs connus ne permettent pas d'à la fois respecter le critère de Shannon et d'obtenir une vitesse dc calcul suffisante pour un traitement temps réel. Il en résulte que des repliements de spectre ont lieu et rendent impossible la distinction de certains signaux, en particulier pour déterminer leur fréquence. [0004] Du fait dc ces repliements, il a été proposé d'échantillonner plusieurs fois en parallèle le signal mais à des fréquences d'échantillonnage différentes puis d'appliquer des transformées de Fourier sur des fenêtres temporelles identiques comportant les signaux échantillonnés. La comparaison des spectres obtenus permet de retrouver le signal. [0005] De fait que les résolutions fréquentielles des analyses spectrales sont toutes dif- férentes, la levée d'ambiguïté entre les signaux au niveau de l'étape dc comparaison est complexe et peut être erronée. La fiabilisation de ces problèmes suppose un procédé relativement lent. [0006] Il existe donc un besoin pour un dispositif permettant de déterminer les caracté- ristiques d'un signal large bande qui soit plus rapide. [0007] Pour cela, il est proposé un dispositif d'analyse de signal, le dispositif d'analyse comportant N voies de traitement d'un signal, chaque voie de traitement comprenant un dispositif d'échantillonnage fonctionnant à une fréquence d'échantillonnage, un convertisseur analogique-numérique fonctionnant à une fréquence de conversion, la fréquence de conversion étant strictement supérieure à la fréquence d'échantillonnage, un filtre intercalé entre le dispositif d'échantillonnage et le convertisseur analogique-numérique, le filtre étant un filtre présentant une fréquence de coupure, et un cal- 2 culatcur propre à analyser le signal de sortie du convertisseur analogique-numérique. [0008] Suivant des modes de réalisation particuliers, le dispositif d'analyse comprend une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prise(s) isolément ou suivant toutes les combinaisons techniquement possibles : [0009] - sur chaque voie de traitement, l'écart entre la fréquence de conversion et la fréquence d'échantillonnage est strictement supérieur à 10%. [0010] - la fréquence de coupure de chaque filtre est supérieure ou égale à la moitié de la plus grande des fréquences d'échantillonnage de l'ensemble des voies de traitement. [0011] - la fréquence de conversion est strictement supérieure à la plus grande des fréquences d'échantillonnage. [0012] - des composants sont identiques entre les voies de traitements, les composants identiques étant choisis parmi le filtre et le convertisseur analogique-numérique. [0013] - le dispositif d'analyse est adapté pour un signal présentant une bande spectrale su- périeure ou égale à 10 GHz. [0014] - chaque filtre est un filtre passe-bande ou un filtre passe-bas. [0015] - le dispositif d'analyse comporte, en outre, un récepteur propre à recevoir le signal et un séparateur relié au récepteur et comportant N ports de sortie, le séparateur séparant le signal que le récepteur est propre à recevoir sur les N ports de sorties, N étant un nombre entier supérieur ou égal à 1, chaque voie de traitement étant reliée à un port de sortie respectif. [0016] En outre, la présente description se rapporte également à une plate-forme, notamment aéronef, comportant un dispositif d'analyse tel que précédemment décrit. [0017] La présente description décrit aussi un procédé d'analyse d'un signal par un dispositif d'analyse comportant N voies de traitement d'un signal, le procédé comprenant, sur chaque voie de traitement, au moins une étape d'échantillonnage à une fréquence d'échantillonnage par un dispositif d'échantillonnage, pour obtenir un signal échantillonné, de filtrage du signal échantillonné par un filtre présentant une fréquence de coupure, pour obtenir un signal filtré, de conversion du signal filtré par un convertisseur analogique-numérique fonctionnant à une fréquence de conversion, la fréquence de conversion étant strictement supérieure à la fréquence d'échantillonnage, pour obtenir un signal converti, et d'analyse du signal converti par un calculateur. [0018] D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description qui suit de modes de réalisation de l'invention, donnée à titre d'exemple uniquement et en référence aux dessins qui sont : [0019] - [fig.1] figure 1, une représentation schématique d'une plate-forme comprenant un dispositif d'analyse d'un signal ; [0020] - [fig.2] figure 2, une vue schématique du dispositif d'analyse de la figure 1 ; [0021] - [fig.3] figure 3, un exemple de spectre que le dispositif d'analyse est adapté à 3 obtenir ; [0022] - [fig.4] figure 4, des exemples de spectres obtenus à l'issue d'une première étape d'une mise en oeuvre d'un exemple de procédé d'analyse ; [0023] - [fig.5] figure 5, des exemples de spectres obtenus à l'issue d'une deuxième étape d'une mise en oeuvre d'un exemple de procédé d'analyse ; [0024] - [fig.6] figure 6, des exemples de spectres obtenus à l'issue d'une troisième étape d'une mise en oeuvre d'un exemple de procédé d'analyse ; [0025] - [fig.7] figure 7, des exemples de spectres obtenus à l'issue d'une quatrième étape d'une mise en oeuvre d'un exemple de procédé d'analyse, et [0026] - [fig.8] figure 8, des exemples de spectres obtenus à l'issue d'une cinquième étape d'une mise en oeuvre d'un exemple de procédé d'analyse. [0027] Une plate-forme 10 est représentée schématiquement sur la figure 1. [0028] La plate-forme 10 est, par exemple, un véhicule. [0029] Selon l'exemple proposé, la plate-forme est un aéronef. [0030] La plate-forme 10 comporte des systèmes 12 fonctionnant en temps réel assurant le fonctionnement de la plate-forme 10. [0031] Trois systèmes en temps réel 14 sont représentés sur la figure 1. [0032] Pour la suite, il est supposé qu'un des systèmes en temps réel est un dispositif d'analyse de signal 16. [0033] Le dispositif d'analyse 16 est propre à analyser les propriétés d'un signal incident. [0034] Le dispositif d'analyse 16 est adapté pour un signal présentant une bande spectrale supérieure ou égale à 10 GigaHertz (GHz). [0035] Un signal présentant une bande spectrale supérieure ou égale à 10 GHz est considéré comme un signal large bande. [0036] Le dispositif d'analyse 16 comporte un récepteur 18, un séparateur 20 et des voies de traitement 22. [0037] Le récepteur 18 est propre à recevoir le signal à analyser [0038] Le séparateur 20 comporte un port d'entrée 20E et N ports de sortie 20S. [0039] N est un nombre entier supérieur ou égal à 2. [0040] Par exemple, le nombre N est supérieur à 4. [0041] Le séparateur 20 est relié au récepteur 18. Plus précisément, le port d'entrée 20E du séparateur 20 est relié à la sortie 18S du récepteur 18. [0042] Le séparateur 20 est propre à séparer le signal que le récepteur 18 est propre à recevoir sur les N ports de sorties 20S. [0043] Chaque voie de traitement 22 est reliée à un port de sortie 20S respectif du séparateur 20. [0044] Le nombre de voies de traitement 22 est donc égal à N. [0045] Chaque voie de traitement 22 est propre à traiter un signal. [0046] Chaque voie de traitement 22 comprend plusieurs composants qui sont : un dispositif d'échantillonnage 24, un convertisseur analogique-numérique 26, un filtre 28 et un calculateur 30. [0047] Dans le cas proposé, le dispositif d'échantillonnage 24 est un échantillonneur- bloqueur 24. [0048] Dans l'exemple décrit, il est supposé que le filtre 28 et le convertisseur analogique- numérique 26 sont identiques entre les voies de traitements. [0049] Par « composants identiques » dans ce contexte, il est entendu que les deux composants présentent les mêmes caractéristiques aux dispersions de fabrication près. [0050] Pour un filtre 28 formé par des éléments électroniques, les dispersions proviennent, par exemple, d'une part des précisions intrinsèques des différents éléments employés. Similairemcnt, pour un convertisseur analogique-numérique 26, les dispersions sont liées aux dispersions de fabrication, aux dispersions sur les éléments parasites, et aux dispersions sur les câblages. [0051] L'échantillonneur-hloqueur 24 est propre à fonctionner à une fréquence d'échantillonnage propre à la voie de traitement 22 considérée. [0052] Ainsi, la fréquence d'échantillonnage de l'échantillonneur-hloqueur 24 de la voie de traitement 22 présentant l'indice i est noté Fsi avec l'indice i qui est un nombre entier compris entre 1 et N. [0053] Dans l'exemple décrit, l'échantillonneur-hloqueur 24 est adapté à traiter un signal présentant une excursion en fréquence de plusieurs dizaines de GigaHertz. [0054] En particulier, l'échantilonneur-bloqueur 24 présente un temps d'acquisition du signal faible au regard de la fréquence maximal du signal à analyser. [0055] Le filtre 28 est intercalé entre l'échantillonneur-bloqueur 24 et le convertisseur analogique-numérique 26. [0056] Le filtre 28 est propre à filtrer un signal incident provenant de l'échantillonneur-bloqueur 24. [0057] Le filtre 28 est un filtre analogique. [0058] Le filtre 28 présente une fréquence de coupure Fc. [0059] La fréquence de coupure Fc de chaque filtre 28 est supérieure ou égale à la moitié de la plus grande des fréquences d'échantillonnage Fsi de l'ensemble des voies de traitement 22. [0060] Selon l'exemple décrit, le filtre 28 est un filtre passe-bande. [0061] En variante, le filtre 28 est un filtre passe-bas. [0062] 11 est également à noter que chaque filtre 28 présente une atténuation à une fréquence comprise entre Fso/2 et Fso compatible avec la dynamique recherchée après analyse spectrale. [0063] La fréquence Fso est la fréquence de conversion commune à laquelle chaque convertisseur analogique-numérique 26 est propre à fonctionner à une fréquence de conversion. [0064] La fréquence de conversion Fso est strictement supérieure à la fréquence d'échantillonnage Fsi. [0065] De préférence, l'écart entre la fréquence de conversion Fso et la fréquence d'échantillonnage Fs, est strictement supérieur à 10%, ce qui permet de diminuer les contraintes d'architecture sur le filtre 28. [0066] Un tel effet est encore plus favorisé si l'écart entre la fréquence de conversion Fso et la fréquence d'échantillonnage Fsi est strictement supérieur à 20%, voire strictement supérieur à 50%. [0067] En effet, plus l'écart entre la fréquence de conversion Fso et la fréquence d'échantillonnage Fs, est faible et plus il devient possible d'utiliser sur chaque voie de traitement 22 des filtres 28 présentant des pentes de réjection avec une faible raideur. Chaque filtre 28 peut alors présenter un ordre plus faible, ce qui permet d'envisager des filtres 28 plus simples. En particulier, le filtre 28 peut comporter moins de composants ou des composants présentant des performances moindres. [0068] Le calculateur 30 est propre à analyser le signal numérisé du convertisseur analogique-numérique 26. [0069] Le fonctionnement du dispositif d'analyse 16 est maintenant décrit en référence à un exemple de mise en oeuvre d'un procédé d'analyse d'un signal ainsi qu'aux figures 3 à 8. [0070] Lors d'une étape de réception, le récepteur reçoit le signal à analyser. [0071] A titre d'illustration, la mise en oeuvre du procédé est illustrée pour un signal à spectre limité. L'extension à un signal de spectre plus large est immédiate mais plus délicate à représenter. [0072] Le signal à analyser est le signal représenté sur la figure 3. [0073] Puis, le signal à analyser est séparé lors d'une étape de séparation sur les N voies de traitement 22 à l'aide du séparateur 20. [0074] Sur chaque voie de traitement 22, une pluralité d'opérations sont effectuées et sont maintenant détaillées. [0075] Dans une première opération, le signal est échantillonné par échantillonneur- bloqueur 24 à la fréquence d'échantillonnage Es; de l'échantillonneur-bloqueur 24. [0076] Cette opération s'interprète comme une opération de périodisation du spectre du signal avec une période liée à la fréquence d'échantillonnage Es,. [0077] Le spectre du signal obtenu après mise en oeuvre de cette opération est décrit sur la figure 4 pour le cas de la première voie de traitement 22 (fréquence d'échantillonnage Fsi) et de la deuxième voie de traitement 22 (fréquence d'échantillonnage Fs,). [0078] Puis, lors d'une deuxième opération, le filtre 28 filtre le signal échantillonné. 6 [0079] Du fait que la fréquence de coupure Fc de chaque filtre 28 est supérieure à la moitié de la fréquence d'échantillonnage Psi, le filtre 28 sélectionne uniquement la partie du spectre qui a été repliée sur la bande de base. [0080] Ensuite, chaque convertisseur analogique-numérique 26 numérise chaque signal à la fréquence de conversion Fso. [0081] Les opérations décrites après cette opération sont mises en oeuvre par le calculateur 30. [0082] Une opération de transformée de Fourier rapide est alors appliquée sur le signal converti. [0083] Les signaux obtenus après analyse spectrale sont représentés à la figure 5 pour la première voie de traitement 22 et la deuxième voie de traitement. [0084] La connaissance de la fréquence d'échantillonnage Fsi de chaque voie de traitement 22 permet de ne garder que les parties utiles des spectres obtenus à l'étape précédente. [0085] La partie utile du spectre sur la première voie est le spectre compris entre 0 et la moitié de la première fréquence d'échantillonnage Fsi. [0086] Plus généralement, la partie utile du spectre sur la Hème voie est le spectre compris entre 0 et la moitié de la Hème fréquence d'échantillonnage Fsi. [0087] Puis, chaque spectre est complété de valeurs nulles pour compléter le spectre jusqu'à la fréquence de conversion Fso. [0088] Les spectres ainsi obtenus pour la première voie de traitement 22 et la deuxième voie de traitement 22 sont visibles sur la figure 6. [0089] Le signal obtenu précédemment sert de motif de base pour reconstituer le spectre entre Fsi/2 et Fsi en symétrisant le motif de base. Il est ainsi obtenu un motif à répéter. [0090] Puis le motif à répéter est ensuite répété pour reconstituer le signal. [0091] Les signaux reconstitués ainsi obtenus pour la première voie de traitement 22 et la deuxième voie de traitement 22 sont visibles sur la figure 7. [0092] Une opération de recherche des zones de fréquences où les signaux reconstitués sont superposés est alors mise en oeuvre. [0093] L'opération est schématisée sur la figure 8 qui comporte trois graphes, le premier étant celui de la figure 3 et les deux suivants ceux de la figure 7. [0094] Dans le cas illustré, la zone de superposition se trouve dans le rectangle 32 en traits pointillés. Le signal dans le rectangle 32 correspond au signal à analyser qui était le signal cherché. [0095] Le procédé qui vient d'être décrit permet d'effectuer une analyse portant sur une pluralité de signaux. [0096] En outre, le procédé est aisément reconfigurable dans la mesure où il suffit de changer les fréquences d'échantillonnage Fsi pour parvenir à un fonctionnement différent du procédé. 7 [0097] Aussi, le dispositif d'analyse 16 est un dispositif reconfigurable d'analyse spectrale numérique de signaux large bande. [0098] Le procédé est aisément implémentable puisque que les opérations utilisées sont des opérations non complexes à optimiser. Par exemple, la transformée de Fourier rapide est aisément optimisahle du point de vue calculatoirc. [0099] En effet, le procédé est mis en oeuvre sur un dispositif d'analyse 16 permettant de simplifier les traitements numériques qui sont accomplis par la suite en particulier en découplant les fréquences d'échantillonnage Fs, multiples utilisées pour numériser le signal et la fréquence employée pour acquérir les signaux qui sont ensuite analysés en utilisant des transformées de Fourier rapides. [0100] Le procédé n'impose pas le nombre de points sur lesquels les opérations sont mises en oeuvre sur chaque voie de traitement 22. Le nombre de voies de traitement 22 peut donc être optimisé en fonction de l'application souhaitée pour le procédé. [0101] De plus, il est à noter que le procédé est mise en oeuvre en conservant une largeur des canaux spectraux identiques entre les voies de traitement 22. [0102] D'autres variantes du dispositif d'analyse 16 sont envisageables. En particulier, le signal à analyser peut être unique (il est alors divisé par N), ou peut provenir de différentes antennes, et ce dispositif d'analyse 16 peut être couplé à d'autres systèmes d'analyse de signal. 8