CA2165795A1 - Procede et dispositif de modulation en amplitude d'un signal - Google Patents

Abstract

Le procédé consiste à moduler l'amplitude d'un signal en sommant les signaux de sortie de deux amplificateurs de puissance (3, 4) de même amplitude préalablement définie mais déphasés chacun de façon symétrique par rapport à un signal de référence. L'amplitude du signal somme résultant est fonction de l'amplitude des signaux précités et de leurs déphasages. La modulation s'effectue en faisant varier ces angles de déphasage en fonction d'une consigne de modulation. Application; émetteurs de puissance "état solide".

Description

WO 95/01005 ~16 ~ 7 9 5 PCT/FR93/00639 et ~ ytL~r de n ~ tir,~ en d'un 8ig~1al La présente invention concerne un pr-océdé et un dispositif de modulation en amplitude d'un signal. Elle s'applique notam-ment aux émetteurs de puissance dits a "ét;at solide" du ~om~n~
- des fréquences radio et réalisés à base de transistors de puis-5 sance à effet de champs ou de type MOSFE~r selon la terminologie anglo-saxonne .
Avec l~avàn~m~nt des transistors de puissance, faciles à
commander et à faible temps de commutatlon donc capables de fonctionner à cies fréquences de quelques centaines de kilohertz 10 à un mégahertz ou plus, les émetteurs à tube électronique, coû-teux, encombrants, nécessitant des alimentations très haute tension et de maintenance rliffirile tendent à être rPmpl~cés par des émetteurs dont les étages nmplific~teulrs utilisent ces types de ltransistors. Ces émetteurs sont en général cc,~ osés de modu-15 les ou amplificateurs é-lPm~ntaires de pui~ssance, ~ ~sPmblés en parallèle ou en série de façon à émettre la puissance requise.
L'architecture usuelle de ces modules e~t de type pont en H
encore appelé "pont complet". Il existe actuell~m~t plusieurs solutlons de modulation en amplitude du signal de sortie de ces 20 émetteurs. L'une est décrite par la demande de brevet n

2 567 338 et intitulée "~mrlific nteur à étages d'amplification cc,.~-,..utables en fonction de l'amplitude du signal à ampliier"
déposée en France au nom de de la Demanderesse.
Cette solution est relatlv~---ent simple à mettre en oeuvr~
et ne demande pas de gestion particulière du fonctionnement des modules PlPm~ntaires. Né~nms)in~ elle nécessite beaucoup de selfs inductances et de condensateurs l~mQnRjonnés pour des circuits r et tensions llll~urLantsJ ainsi que des transformateurs avec de nombreux secondaires, c'est donc une solution coûteuse, encom-

3 o brante et de médiocre rendement .
Une autre solution comprenant une gestion numérique des modules permet une ~mélioration du rendement mais au prix WO 95/OlOOS PCT/FR93/00639 ~6~7~ --d'une grande; complexité de gestion des - modules . Dans ce cas, la constitution de l'enveloppe de l'onde émise s 'effectue par super-position du signal fourni par chacun des modules de puissance alimentés sous une même tension E et c:iont le fonctionnement est 5 cornm~ndé par la partie numérique. Cependant pour affiner l'enve-loppe du signal à émettre, il est nécessaire d'utiliser des modules de pulssance supplémentaires al~mentés sous tension E/2, E/4 ... E/2P. Cela constitue un inconvénient ma~eur puisque tous les modules ~lémentaires ne sont plus identiques et sup-10 prime ainsi l'interchangeabilité totale de ces modules. Cela ne permet pas non plus un mode de fonctionnement en puissance dégradée ou diminuée, puisque la mise hors circuit d'au moins un module, suite à une avarie quelconque, entraîne des distor-sions de l'onde émise contrairement à une solution co...~osée de modules interchangeables dont l'arrêt de l'un ou l'autre n'en-traîne qu'une diminution de puissance émise, or, bien souvent dans certains cas de figures, un tel mode de fonctionnement peut rester satisfaisant pour l'utilisation Par ailleurs cette solutlon exige beaucoup de sources de tensions différentes et les commutations continuelles des modu-les engendrent des signaux parasites perturbants. Il est à noter de plus que l'absence d'interchangeabllité totale des modules entraîne une difficulté et un coût supplémentaires de maintenance et de mise au point.
Le but de l'invention est de pallier les inconvénients précités .
A cet effet, l'invention a pour ob~et un procédé de modula-tion en amplitude d'un signal par un signal de modulation carac-térisé en ce qu'il consiste à déc.~ -oser le signal à moduler suivant un premier et un deuxième signal de même amplitude et de phases opposées, à moduler en phase le premier et deuxième signal par le signal de modulation et à additionner le premier et le deuxième signal modulés en phases pour obtenir un signal résultant modulé en amplitude.

wo 95/01005 2 1 ~ ~ 7 ~ 5 PCT/~R93l0U619 L'invention a également pour objet un dispositif pour la mise en oeuvre du procédé précité.
L'invention a pour principaux avantages qu'elle permet une grande souplesse du contrôle de la puis sance de sortie, une 5 meilleure précision de l'ampiitude du signal de sortie en fonc-tiOIl du signal de modulation à l'entrée de l'émetteur, et un -très bon rendement global. Elle permet ps,r ailleurs une msinte-nance aisée et un mode de fonctionnement en puissance dégradée.
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention l Oapparaîtront à l'aide de la description qui suit faite en regard des dessins annexés qui représentent:
- La figure 1, un diagramme vectoriel pour illustrer le procédé de moduiation mis en oeuvre par l'invention.
- La figure 2, un mode de réalisation d'un dispositif pour 15la mise en oeuvre du procédé de modulation selon l'invention.
- La figure 3, un mode de réalisation d'un circuit addi-tionneur pour la mise en oeuvre du disposltif de la figure 2.
- La figure 4, un mode de réaiisal:ion d'un dispositif de co~m~nde du mode de réalisation de la figure 2.
20La figure 1 illustre le principe de base de l'invention.
Sur cette figure les vecteurs V1 et V2 constituent la représentation vectorielle suivant la méthode de Fresnel de deux signaux sinusoïdaux de fréquences constantes et déphasés respectivement, par rapport à un signal de référence VREF de 25même fréquence, d'un angle y~ et d'un angle -~'. En considérant le cas où ces deux signaux ont même amplitude E et que leur fréquence est égale à f, la fonction du temps du signal associé au vecteur ~T1 peut être notée Vl(t) = E cos([2tlf]t + 'p ) (1) 30et la fonction du temps du signal associé au vecteur V2 peut r être notée V2(t) = E cos([21~f]t - ~p ) (2) ou t représente le temps ~p l'angle de déphasage précité
35 et E l'amplitude des vecteurs V1 et V2 .

~57~5 Le signal si~mme de ces deux signaux V;i(t)~i ~V2(t) est associé au vecteur Vs de la figure 1, somme vectorielle de Vl et ~2 et a pour amplitude maximum 2 E cos ~ . Il conserve la meme fréquence f. ; ~
A partir de ce résultat, le procédé selon l'inventlon consiste à utiliser des modules alPmpr~tairQs de puissance compo-sés chacun de deux ~mplificateurs délivrant des signaux de sor-tie de même fréquence, égale à la fréquence d'Pmi~si-~n, et de même amplitude prédéfinie mais déphasées , l'un d'un angle y', l'autre d'un angle - ~p par rapport à un signal de référence, puis de sommPr ces deux signaux. D'après le résultat préclté, il en résulte un signal de fréquence égale ~ la fréquence d'émission et d'amplitude fonction sinu~oïtl~la de l'angle de déphasage ~p précité. La modulation en amplitude du signal de sortie du module PlPmpntaire est donc ré~lifi~ble en agissant sur l'angle de déphasage ~p .
Un disposltif pour la mise en oeuvre de ce procédé est représenté à la flgure 2. Ce dispositif comrorte une première et une deuxième voie d'~mpl~f~catlon cc"..~osées respectlv~,.ent d'un 20 premier préamplificateur 1 couplé à un premier ~mrlificateur de pulssance 3 et d'un deuxième ~~ .!ific~teur 2 couplé à un deuxième ~mpl~f~- ~teur de pulssance 4. Les sorties respectives des ~mrl If icateurs de puissance 3 et 4 sont couplée~ respective-ment à une première et une deuxième entrée d'un circuit addition-25 neur de tension 5. La sortie du circuit addltionneur 5 est cou-plée à l'entree d'un filtre 6.
Dans cette description les signaux V1(t) et V2(t) décrit~
précé~lemmPrlt par les relations (1) et (2) sont additionnés par le circuit addltionneur 5 pour donner le signal Vs (t) résultant 30 associé au vecteur V8 de la figure 1. Un mode de réalisation d'un circuit additionneur correspondant est montré à la figure 3. Ce circuit colll~orle deux transformateurs de rapport de transformation égal à 1 par exemple et dont les primaires sont reliés respecllv~...ent aux sorties des ~mplificateurs 3 et 4 donc 35 ont les signaux V1(t) et V2(t) à leurs bornes, leurs secondaires W0 95/01005 ~ ~ ,f~ 5 7 ~ ~ PCT~3/00639 sont câblés en série, ce qui permet d'obtenir aux bornes de cet assemblage série la somme Vl (t) ~V2 (t) = Vs ~t) .
A ce niveau de la description il importe de mentionner la remarque suivante: la sommation vectorieLLe réalisée suivant le S principe de la figure 1 ne s'applique qu'à des signaux sinusoï-daux de même fréquence alors que dans I'invention, la som~ne effectuée par l'additionneur 5 peut par exemple s'appliquer à
des signaux de même fréquence mais carrés. Né~qnmo~n~, le résul-tat reste valable pour la tension de sortie Vs*(t) du filtre 6, 10 grâce au principe de superposition. En effet les signaux carrés précités sont la somme d'une infinité de signaux sinusoïdaux ou harmoniques dont on peut additinnnar les ];larmoniques de même fréquence. Pour chacune de ces sommes, l'amplitude du signal résultant est bien fonction sinusoïdaLe de l'angle de 15 déphasage ~p précité, donc en particulier cela est vérifié pour l'harmonique principale ou fondamentale restante en sortie du filtre 6. Ainsi si E est l~amplitude léfinie des signaux de sortie V1(t) et V2(t) des ~mplif~cateurs de puissance 3 et 4 et Vs (t) le signal de sortie du module el~m~ntaire, alors 20 Vs = 2 E cos ~4, ce qui est le but recherch~.
Les signaux Vl(t) et V2(t) en sortie des amplificateurs 3 et 4 sont synchrones des signaux de commande sl(t) et s2(t) à
l'entrée des préamplificateurs 1 et 2. Ces deux signaux sont modulés en phase et leur élaboration peut être obtenue de la 25 façon représentée à la figure 4. Le but de ce dispositif de comn1nnde est de fournir un angle de déphasage ~p tel qu'il a été
décrit précé~mm~nt, fonction d'une consigne ou d'un signal de, modulation appliquée à son entrée. Ce signal de modulation est converti numériquement par le convertisseur analogique 30 numérique 7. La fréquence de conversion est égale à la fréquence d'émi~sion par exemple ou ~ une de ses fréquences multiples. Le circuit de traitement numériqu,e 8 reçoit la donnée issue du convertisseur analogique-numérique et réalise une opéra-tion dont le résultat correspond à la valeur du déphasage à
35 produire sur les sign~llx de commnnde des interrupteurs ou ~ =

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transistors des aTnpliPicateurs de puissance 3 et 4. C'est-à-dire en fait, si Am correspond ~ l'amplitude maximale du signal modulant et B l'amplitude du signal modulant à l'instant de conversion analogique-nwnérique, le déphasa~e correspondant est 5 donné par l'équation:
~p = arc cos B/Am Ayant mémorisé l'angle de dépha~age précédent, le circuit de traitement numérique 8 calcule la variation du déphasage à appliquer au signal de co...---n-.de. A cette fln le circuit de 10traitement numérique 8 peut être par exemple réalisé au moyen de mémoires co~ ur~ant des tables et de circuits logiques pro-L'inverseur 9 change le signe de la variation de déphasage numérisée issue du circuit de traitement numérique 8 afin 15d'obtenir une variation de phsse symétrique - ~. Les deux données ~,~) et - ~p sont présentées à l'entrée d'un circuit tampon 10 pour être synchroni~ées avant d'être multiplexées par un multiplexeur 11 Les rlorn~es ~ et -~p toujours présentes en sortie du multiplexeur 11 sont prises en compte par des oscil-20lateurs numériques 12 et 13 connus 80US l'abréviation NCO de l'appellation anglo-saxonne "Numerically Controlled Oscillator".
Les circuits utilisés peuvent être par exemple les circuits de référence STEL- 1175 cc l.. el cialisés par la société STANFORD de droit des Etats Unis d'Amérique. Ces circuits NCO génèrent 25 chacun un signal numérique périodique variant sinusoïrl~lem~nt à
la fréquence d'émission du signal à moduler dont la phase varie suivant la donnée de phase présente ~ leurs entrées donc sui-vant la variation de phase â~P ou - ~'p calculée par le circuit de traitement numérique. LQ signal de sortie de chaque NCO 12 30 et 13 est converti analogiquement par un convertisseur numéri-que-analogique 14 et 15. Les signaux en sortie des convertis-seurs 14 et 15 sont filtrés au travers des f~ltres 16 et 17. Il en résulte deux sig~aux sinusoïdaux à la fréquence d'émisslon sl(t) et s2(t), l'un déphasé d'un angle 'P, l'autre déphasé d'un 35 angle - ~p par rapport à un signal de référence, ~) étant WO 9~/01005 216 5 ~ 9 ~ PCT/~93/00639 fonction du signal de modulation à l'entrée du dispositifj de commande. Ces deux signaux de comm~nde ampliflés et mis en forme par les prénmpl~f~cateurs 1 et 2 sont appliqués sur les entrées respectives des deux ~mr!~f~cateurs de puissance 3 et 4 S comrne il a été expliclté précédemment.
Le multiplexeur 11 sert à sélectionner, soit la donnée de modulation ( ~, - ~ ) soit la ~onnée de fréquence, cette der-nière non représentée sur le synoptique de la flgure 4 sert à
l'initislisation de la fréquence de démarrage.
D'apres la description d'un module alQmentaire et la des-cription d'un dispositif de cnmm~n~le, il apparaît que les déphasages symétriques produits sur les si~gnaux de sortie des amplificateurs de puissance 3 et 4 correspondent aux déphasages réalisés au niveau des signaux s1(t) et s2(t) issus de la 15 commnnde, ces déphasages étant eux même ieonction du signal de modulation à l'entrée du dislJo~ de comm~r de L'amplitude du signal de sortie d'un module étant fonctlon de ces déphasages sera donc fonction de ce signal de modulation, ce qui était bien le but recherché. IA~ type de signal modulant, peut correspondre 20 à toutes grandeurs dès lors qu'elle peut être convertie en un angle de déphasage Par ailleurs comme tous les modules alPm~n-taires de l'émetteur sont identiques, ceux-ci peuvent être com-mandés par le même dispositif de comm~nde En pratique, pour des raisons de cc.l~.mo.lité et de mise au poiint, plusieurs cartes 25 de comm~ndes réparties par groupes de modules élémentaires pourront être ~éfini~s La puissance requise en sortie de l'emetteur imposera le nombre de modules alPmantaires. Ceux-ci pourront être par exem-ple assemblés en parallèle ou en série. Des circuits d'équili-30 brage des courants ou des tensio~ pourront par exemple êtrera~outés ainsi que des protections contre les court-circults.
Une variante possible à la réalisation d'un module PlPm~n-taire consiste à utiliser quatre ~mplif~c~teurs de puissance au lieu cle deux dont les signaux de sortie ont chacun respective-35 ment les déphasages ~P 1~ -~P1- ~2 et -~P2 par rapport à un -WO 9~/0100~ PCTIFR93/00639 %~ ~7~

signal de référence , ~)1 jouant le rôle de l'angle de déphasage 'p décrit dans la présente invention, ~ 2 servant à
diminuer toute distorsion éventuelle du signal de sortie. Il est par ailleurs envisageable d'augmenter le nombre d'amplificateurs de puissance par module élémentaire, cela ne peut qu'améliorer la qualité du signal de sortie) n~nmoins leur nombre peut être limité pour des raisons de faisabilité et de coût.

Claims (6)

REVENDICATIONS

1. Procédé de modulation en amplitude d'un signal par un signal de modulation caractérisé en ce qu'il consiste à décompo-ser le signal à moduler suivant un premier et un deuxième signal (V1, V2) de même amplitude et de phases opposées, à moduler en phase le premier et deuxième signal par le signal de modulation et à additionner le premier et le deuxième signal modulés en phase pour obtenir un signal résultant (Vs) modulé
en amplitude.

Z. Dispositif pour la mise en oeuvre du procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce qu'il comprend un circuit additionneur (5) couplé à une première voie d'amplification (3) et à une deuxième voie d'amplification (4) pour additionner les signaux modulés en phsse.

3. Dispositif selon la revendication 2 caractérisé en ce qu'il comporte un filtre (6) couplé à la sortie du circuit additionneur (5) .

4. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 2 et 3 caractérisé en ce qu'il comporte un circuit de commande comprenant deux oscillateurs numériques (12, 13) commandés en phase par le signal de modulation et en ce que les sorties des deux oscillateurs numériques (12, 13) sont couplés à deux en-trées respectives du circuit addltionneur (5) par l'intermé-diaire de la première et de la deuxième voie d'amplification.

5. Dispositif selon la revendication 4 caractérisé en ce qu'il comprend un circuit de traitement numérique (8) du signal de modulation pour cnmmander la phase du signal numérique fourni par chaque oscillateur numérique (12, 13) en fonction de l'amplitude du signal de modulation.

6. Dispositif selon la revendication 5 caractérisé en ce que le circuit de traitement numérique (8) est couplé à chaque oscillateur numérique par l'intermédiaire d'un circuit multi-plexeur (11) des angles de commande du déphasage de chaque oscillateur numérique (12, 13) mémorisés en sortie du circuit de 4 traitement numérique (8) par un circuit tampon de synchronisa-tion.