Brevet FR3162273A1 — publié le 20251121

La présente invention concerne une technique de compensation de la distorsion non-linéaire d’un transducteur électroacoustique T, reposant sur un post-traitement appliqué au signal électrique délivré par le transducteur au moyen d’un composant non-linéariseur harmonique M disposé en aval de celui-ci. Figure pour l’abrégé : Figure 2 Dispositif de mesure électroacoustique à compensation de distorsion non-linéaire, procédé de compensation, produit programme d’ordinateur et moyen de stockage correspondants L’invention s’inscrit dans le domaine de l’électroacoustique, et plus particulièrement des transducteurs électroacoustiques à détection capacitive. L’invention porte sur une technique visant à réduire la distorsion non-linéaire se manifestant dans les transducteurs électroacoustiques capacitifs. L’invention présente un intérêt croissant dans le domaine des appareils audio grand public, des appareils de studio, mais également dans les applications de mesure où une plus grande précision est requise. Elle peut s’appliquer à tous types de transducteurs à détection capacitive, et plus spécialement, mais non exclusivement, aux microphones capacitifs MEMS à électrode arrière unique ( « single back plate » ). Arrière-plan technologique Un microphone est un transducteur électroacoustique capable de mesurer avec précision une pression acoustique dans un environnement donné. Un tel dispositif convertit un signal de pression acoustique reçu en entrée en un signal électrique de sortie. Dans le cas des transducteurs électroacoustiques très compacts, un microsystème MEMS (pour « MicroElectroMechanical System » ) peut être intégré sur puce silicium. Les microphones capacitifs MEMS représentent un marché en pleine expansion, notamment grâce au développement des appareils nomades, tels que les tablettes, smartphones et aux autres objets connectés. Ils comprennent deux composants principaux : un organe sensible à la pression acoustique (souvent appelé « transducteur ») qui délivre le signal électrique correspondant à la pression acoustique et un dispositif électronique responsable du conditionnement et de la transmission des signaux (souvent appelé « conditionneur de signaux »). Les microphones capacitifs MEMS possèdent les avantages suivants : une faible sensibilité aux variations de température, une grande sensibilité à la pression acoustique et de bonnes performances en termes de bruit. Ils offrent par ailleurs une faible consommation d’énergie, une construction légère et un prix relativement faible. Toutefois, le signal électrique délivré en sortie de ces microphones présente une distorsion non-linéaire par rapport au signal de pression acoustique incident. Autrement dit, le signal électrique de sortie n’est pas proportionnel au signal acoustique d’entrée, altérant la qualité du signal audio. Ce phénomène de distorsion est principalement inhérent au principe de transduction électrostatique du microphone, les composants de la chaîne de transmission introduisant un comportement non-linéaire plus ou moins important en fonction de leurs caractéristiques intrinsèques et des particularités du signal transmis. Ainsi, réaliser une chaîne de transmission à comportement linéaire sur une large bande passante et une grande plage de puissances du signal reste de nos jours un défi majeur pour les constructeurs de microphones capacitifs. Afin de réduire la non-linéarité affectant les microphones capacitifs, il est connu de d’une part concevoir une chaîne de transmission en disposant les composants de sorte que leurs non-linéarités respectives se compensent, et d’autres part en utilisant une boucle de contre-réaction sur une partie du gain de la chaîne. Toutefois, ces deux approches restent complexes à mettre en œuvre en pratique et nécessitent souvent l’emploi de composants électroniques supplémentaires, sans pour autant garantir une diminution significative du niveau de distorsion. Il existe donc un vrai besoin de fournir une solution qui permette, de façon simple et efficace, de corriger la distorsion non-linéaire dans les microphones à détection capacitive. Dans un mode de réalisation particulier de l’invention, il est proposé un dispositif de mesure acoustique comprenant : un transducteur électroacoustique configuré pour délivrer un signal électrique à partir d’un signal de pression acoustique, un module de compensation de distorsion non-linéaire disposé en sortie du transducteur électroacoustique, ledit module de compensation recevant en entrée le signal électrique délivré par le transducteur électroacoustique, dit signal à compenser , et restituant en sortie un signal électrique dit signal compensé , caractérisé en ce que ledit module de compensation est configuré pour appliquer au signal à compenser une fonction de compensation caractérisée par l’équation suivante : avec : , le signal à compenser délivré par le transducteur électroacoustique ; , le signal compensé restitué en sortie du module de compensation ; , un coefficient de compensation quadratique dimensionné pour opérer une opposition de phase sur la composante quadratique du signal à compenser. Le principe général de l’invention consiste donc à réaliser un post-traitement du signal électrique généré en sortie du transducteur électroacoustique, au moyen d’un composant non-linéariseur disposé en sortie de celui-ci et configuré pour compenser la distorsion non-linéaire induite par le transducteur. La fonction de compensation appliquée par ce composant non-linéariseur est dimensionnée pour réduire la composante quadratique altéré du signal délivré en sortie du transducteur, en appliquant une opposition de phase sur cette composante quadratique, de manière à restituer un signal compensé de meilleure qualité. Selon une première mise en œuvre possible, le coefficient quadratique de compensation est une valeur prédéterminée établie en fonction de paramètres physiques intrinsèques du transducteur électroacoustique. Selon une deuxième mise en œuvre possible, le coefficient quadratique de compensation est une valeur estimée à partir de composantes spectrales du transducteur électroacoustique. Selon un premier mode de mise en œuvre, le signal à compenser est un signal analogique et ledit module de compensation comprend un circuit analogique configuré pour effectuer ladite fonction de compensation. Selon un deuxième mode de mise en œuvre, le signal à compenser par le transducteur délivrant est un signal numérique et le module de compensation comprend un composant numérique programmable ou reprogrammable configuré pour réaliser ladite fonction de compensation. Dans un autre mode de réalisation de l'invention, il est proposé un procédé de compensation de la distorsion non-linéaire d’un transducteur électroacoustique, ledit transducteur électroacoustique étant configuré pour délivrer un signal électrique à partir d’un signal de pression acoustique, le procédé étant caractérisé en ce qu’il comprend les étapes suivantes : obtention d’une valeur de coefficient de compensation quadratique ; appliquer une fonction de compensation au signal électrique délivré par le transducteur, dit signal à compenser , de manière à restituer un signal électrique compensé conformément à l’équation suivante : avec : , le signal à compenser délivré par le transducteur électroacoustique ; , le signal compensé ; , le coefficient de compensation quadratique dimensionné pour opérer une opposition de phase sur la composante quadratique du signal à compenser. Le principe général de l’invention repose sur un post-traitement du signal électrique généré en sortie du transducteur électroacoustique, permettant de compenser la distorsion non-linéaire induite par le transducteur, de manière à restituer un signal électrique compensé sur une bande de fréquences et une plage de puissances étendues. La fonction de compensation est dimensionnée pour réduire la composante quadratique altérée du signal délivré en sortie du transducteur électroacoustique, en appliquant une opposition de phase sur cette composante quadratique. Selon une première mise en œuvre possible, la valeur de coefficient de compensation quadratique obtenue est une valeur prédéterminée établie en fonction de la tension de polarisation, de la capacité du transducteur acoustique. Selon une deuxième mise en œuvre possible, la valeur de coefficient de compensation quadratique obtenue est une valeur estimée par analyse spectrale de la structure harmonique d’un signal électrique délivré par le transducteur acoustique à partir d’un signal de pression acoustique de référence. Dans un autre mode de réalisation de l'invention, il est proposé un produit programme d’ordinateur, comprenant des instructions de code de programme pour la mise en œuvre du procédé précité (dans l’un quelconque de ses différents modes de réalisation), lorsque ledit programme est exécuté sur un ordinateur. Dans un autre mode de réalisation de l'invention, il est proposé un médium de stockage lisible par ordinateur et non transitoire, stockant le produit programme d’ordinateur précité. Liste des figures D’autres caractéristiques et avantages de l’invention apparaîtront à la lecture de la description suivante, donnée à titre d’exemple indicatif et non limitatif, et des dessins annexés, dans lesquels : FIG. 1 représente un dispositif de mesure acoustique selon un mode de réalisation particulier de l’invention ; FIG. 2 est un schéma fonctionnel d’un module de compensation de distorsion non-linéaire selon l’invention ; FIG. 3 présente un organigramme d’un mode de réalisation particulier du procédé selon l’invention ; FIG. 4 représente la structure simplifiée d’une unité mettant en œuvre le procédé selon un mode de réalisation particulier de l’invention. Description détaillée de l’invention Sur toutes les figures du présent document, les éléments et étapes identiques sont désignés par une même référence numérique. La présente invention se rapporte à un post-traitement du signal électrique délivré en sortie d’un transducteur électroacoustique permettant, grâce à un composant non-linéariseur disposé en aval de celui-ci, de corriger la distorsion non-linéaire se manifestant dans le transducteur électroacoustique. Dans la suite de la description, on considère un exemple de mise en œuvre de l’invention appliqué aux microphones à détection capacitive MEMS. L’invention ne se limite bien sûr pas a ce domaine particulier d’application, mais s’applique à tout transducteur électroacoustique à détection capacitive. La FIG. 1 présente un dispositif de mesure acoustique DMA selon un mode de réalisation particulier de l’invention. Dans ce mode de réalisation particulier, le dispositif DMA est un dispositif de mesure acoustique intégré sur un support P. Il comprend un microphone à détection capacitive T et un module de compensation de distorsion non-linéaire M, électriquement relié au microphone T en aval de celui-ci. Le microphone à détection capacitive T intègre typiquement un microsystème MEMS et est configuré pour délivrer un signal électrique, noté , à partir d’un signal de pression acoustique incident (représenté par la sinusoïde S). Le module de compensation M est un composant non-linéariseur disposé en sortie du microphone T et configuré pour compenser la distorsion non-linéaire se manifestant dans le microphone T (et dont le principe est décrit ci-dessous en lien avec les figures 2 et 3). Dans cet exemple de réalisation, le microphone à détection capacitive T et le module de compensation M sont tous deux intégrés sur un même support (par exemple une puce Silicium), offrant ainsi une solution de mesure acoustique capacitive compacte, industrialisable et de faible consommation électrique. Le signal à compenser est donc le signal électrique délivré par le microphone à détection capacitive T. On présente ci-après, en relation avec les figures 2 et 3 , le principe du procédé compensation de distorsion non-linéaire selon un mode de réalisation particulier, appliqué au microphone à détection capacitive T décrit précédemment. Il repose sur la mise en œuvre d’un post-traitement visant à ajouter artificiellement de la non-linéarité au signal de sortie du microphone venant en opposition de phase avec la non-linéarité physique du microphone. Les étapes décrites ci-après sont mises en œuvre par le module de compensation de distorsion non-linéaire M. Le module de compensation de distorsion non-linéaire M est configuré pour appliquer au signal à compenser une fonction de compensation caractérisée par l’équation suivante : avec : , le signal à compenser délivré par le microphone T et reçu en entrée du module de compensation M ; , le signal compensé restitué en sortie du module de compensation M ; , un coefficient de compensation quadratique dimensionné pour opérer une opposition de phase sur la composante quadratique du signal à compenser. Autrement dit, le module de compensation M reçoit en entrée le signal électrique à compenser délivré par le microphone T et restitue en sortie un signal électrique signal compensé . Pour mettre en œuvre cette fonction de compensation, le module de compensation M dispose d’un circuit de traitement de signal non-linéaire comprenant : un bloc multiplicateur 10 apte à multiplier le signal à compenser par lui-même ; un bloc multiplicateur 20 apte à multiplier le signal issu du bloc multiplicateur 10 disposé en amont, par la constante multiplicatrice (coefficient de compensation quadratique précité) ; un bloc additionneur 30 apte à additionner le signal à compenser issu directement du microphone T avec le signal directement issu du bloc multiplicateur 20, pour délivrer le signal électrique compensé . Un tel circuit de traitement peut être analogique ou numérique en fonction de la nature du signal électrique délivré par le microphone T. La fonction de compensation appliquée par le module de compensation M est définie de manière à opérer une correction sur la composante quadratique touchée par la distorsion non-linéaire induite par le microphone T, en appliquant une opposition de phase sur cette composante quadratique. Une telle fonction de compensation permet d’ajouter artificiellement de la non-linéarité au signal de sortie du microphone T, en se mettant en opposition de phase avec la non-linéarité physique intrinsèque du microphone. Il existe principalement deux manières pour obtenir la valeur de la constante , toutes deux pouvant être déterminées « à froid » lors de la conception du microphone. Cette étape est représentée par le bloc S1 sur la FIG. 3 (notée « OBT_CCQ »). Selon une première approche, on obtient une valeur prédéterminée du coefficient quadratique de compensation . Cette valeur prédéterminée est calculée en fonction de paramètres intrinsèques au microphone T, à l’aide de l’équation suivante : avec : , la tension de polarisation du microphone T, , la capacité statique du microphone T, , la capacité parasite du microphone T. Typiquement, pour un microphone présentant une tension de polarisation de 10 V, une capacité statique de 10 pF et une capacité parasite de 1pF, la constante est de 9,1V. Selon une deuxième approche (alternative ou complémentaire à la première approche), par exemple lorsque certains des paramètres physiques du microphone T ne sont pas connus (comme la tension de polarisation du microphone par exemple) ou encore lorsque l’on souhaite vérifier la justesse de la valeur du coefficient quadratique calculée selon la première approche, il est possible de procéder à une estimation de la valeur du coefficient quadratique de compensation . Cette estimation repose sur une analyse du comportement spectral du microphone T à un signal de pression acoustique de référence. A cette fin, il est procédé aux étapes suivantes. On réalise tout d'abord une transformée temps-fréquence (par exemple à l’aide d’une transformée de Fourier) du signal électrique délivré par le microphone T à partir d’un signal de pression acoustique de référence (signal sinusoïdal de fréquence F0), de manière à établir un spectre d’amplitude en fonction de la fréquence du signal acoustique. On identifie ensuite les première et deuxième composantes du signal à partir du spectre d’amplitude préalablement établi, à savoir la composante fondamentale F0 (dont l’amplitude est notée par la suite) et la composante harmonique 2F0 (« harmonique de rang 2 » dont l’amplitude est notée par la suite). On estime l’amplitude desdites première et deuxième composantes. Enfin, on calcule la valeur du coefficient quadratique de compensation à l’aide de l’équation suivante : avec : , l’amplitude associée à la première composante du signal (composante fondamentale), , l’amplitude associée à la deuxième composante du signal (composante harmonique de rang 2). Typiquement, pour un signal de pression acoustique de référence, de type sinusoïdal présentant une fréquence de 1 kHz et un niveau de pression acoustique compris entre 85 et 120 dB SPL et un microphone T ayant une sensibilité de 13.6 mV/Pa, une plage de fréquences comprise entre 100 Hz et 10 kHz et un point de surcharge acoustique de 130 dB SPL, l’amplitude des première et deuxième composantes ont été respectivement estimés à 186 mV et 1,95 mV, donnant ainsi une valeur de la constante égale à 8,87 V. Ainsi, il est également possible d’obtenir une valeur du coefficient de compensation quadratique par simple analyse spectrale de la structure harmonique du signal. Une fois la valeur du coefficient de compensation quadratique obtenue (valeur prédéterminée ou valeur estimée selon la mise en œuvre technique retenue), il est possible d’intégrer un composant non-linéariseur FPGA ou ASIC au microphone T appliquant la fonction de compensation précitée avec la valeur prédéterminée et/ou estimée de la constante . L’étape S2 (notée « APP_FC » sur la figure) représente le module de compensation M appliquant la fonction de compensation décrite ci-dessus au signal électrique à compenser , de manière à restituer un signal électrique compensé , et donc de meilleure qualité. Une telle technique, réalisée entièrement en post-traitement, est de mise en œuvre simple et peu coûteuse. En pratique, elle permet de réduire le taux de distorsion harmonique totale en fonction du niveau d’excitation acoustique, et donc de restituer un signal de meilleure qualité. Le module de compensation peut être disposé en amont ou en aval ou au sein même du conditionneur de signaux du microphone. La FIG. 4 représente, de manière schématique et simplifiée, d’une unité de compensation dans un mode de réalisation particulier de l’invention. Par exemple, l’unité de compensation correspond au module de compensation M représenté sur la FIG. 2 , mettant en œuvre le procédé de compensation de la distorsion non-linéaire selon l’invention. L’unité de compensation 10 comprend plus particulièrement une mémoire vive 130 (par exemple une mémoire RAM), une unité de traitement 110 (noté CPU), équipée par exemple d’un processeur ou microprocesseur, et pilotée par un programme d’ordinateur stocké dans une mémoire morte 120 (par exemple une mémoire ROM ou un disque dur). A l’initialisation, les instructions de code du programme d’ordinateur sont par exemple chargées dans la mémoire vive 130 avant d’être exécutées par le processeur de l’unité de traitement 110. Un tel programme d’ordinateur permet l’exécution des étapes de l’algorithme de la FIG. 3 décrit ci-dessus. L’unité de traitement 110 reçoit en entrée le signal électrique à compenser (E). Le processeur de l’unité de traitement 110 exécute le procédé à partir du signal électrique à compenser reçu et délivre en sortie un signal électrique compensé (S), selon les instructions du programme stockée en mémoire 120. Cette FIG. 4 illustre seulement une manière particulière, parmi plusieurs possibles, de réaliser le procédé décrit ci-dessus. En effet, le procédé de compensation selon l’invention se réalise indifféremment : sur une machine de calcul reprogrammable (un processeur DSP ou un microcontrôleur) exécutant un programme comprenant une séquence d’instructions ; ou sur une machine de calcul dédiée (par exemple un ensemble de portes logiques comme un FPGA ou un ASIC, ou tout autre module matériel). Dans le cas où l’invention est implantée sur une machine de calcul reprogrammable, le programme correspondant (c'est-à-dire la séquence d’instructions) pourra être stocké dans un médium de stockage amovible (tel que par exemple une disquette, un CD-ROM ou un DVD-ROM) ou non, ce médium de stockage étant lisible partiellement ou totalement par un ordinateur ou un processeur. Dispositif de mesure électroacoustique comprenant : un transducteur acoustique (T) configuré pour délivrer un signal électrique à partir d’un signal de pression acoustique, un module de compensation de distorsion non-linéaire (M) disposé en sortie du transducteur électroacoustique, ledit module de compensation recevant en entrée le signal électrique délivré par le transducteur électroacoustique, dit signal à compenser , et restituant en sortie un signal électrique dit signal compensé , caractérisé en ce que ledit module de compensation est configuré pour appliquer au signal à compenser une fonction de compensation caractérisée par l’équation suivante : avec : , le signal à compenser délivré par le transducteur électroacoustique ; , le signal compensé restitué en sortie du module de compensation ; , un coefficient de compensation quadratique dimensionné pour opérer une opposition de phase sur la composante quadratique du signal à compenser. Dispositif selon la revendication 1, dans lequel le coefficient quadratique de compensation est une valeur prédéterminée établie en fonction de paramètres physiques intrinsèques du transducteur acoustique. Dispositif selon la revendication 1, dans lequel le coefficient quadratique de compensation est une valeur estimée à partir de composantes spectrales du transducteur acoustique. Dispositif selon l’une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel le signal à compenser est un signal analogique et ledit module de compensation comprend un circuit analogique configuré pour effectuer ladite fonction de compensation. Dispositif selon l’une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel le signal à compenser par le transducteur délivrant est un signal numérique et le module de compensation comprend un composant numérique programmable ou reprogrammable configuré pour réaliser ladite fonction de compensation. Procédé de compensation de la distorsion non-linéaire d’un transducteur électroacoustique (T), ledit transducteur électroacoustique étant configuré pour délivrer un signal électrique à partir d’un signal de pression acoustique, le procédé étant caractérisé en ce qu’il comprend les étapes suivantes : obtention (S1) d’une valeur de coefficient de compensation quadratique ; appliquer (S2) une fonction de compensation au signal électrique délivré par le transducteur, dit signal à compenser , de manière à restituer un signal électrique compensé conformément à l’équation suivante : avec : , le signal à compenser délivré par le transducteur électroacoustique ; , le signal compensé ; , le coefficient de compensation quadratique dimensionné pour opérer une opposition de phase sur la composante quadratique du signal à compenser. Procédé selon la revendication 6, dans lequel la valeur de coefficient de compensation quadratique obtenue est une valeur prédéterminée établie en fonction de la tension de polarisation, de la capacité du transducteur acoustique. Procédé selon la revendication 6, dans lequel la valeur de coefficient de compensation quadratique obtenue est une valeur estimée par analyse spectrale de la structure harmonique d’un signal électrique délivré par le transducteur acoustique à partir d’un signal de pression acoustique de référence. Produit programme d’ordinateur, comprenant des instructions de code de programme pour la mise en œuvre du procédé selon la revendication 8, lorsque ledit programme est exécuté sur un ordinateur. Médium de stockage lisible par ordinateur et non transitoire, stockant un produit programme d’ordinateur selon la revendication 9.