La présente invention concerne le domaine des chaínes de réception
audio en particulier dans les systèmes portables de faible consommation.
Différents systèmes existent pour transformer un signal numérique en
signal analogique de puissance qui permet d'émettre des sons par le biais d'un haut-parleur.
La demande de brevet FR-A-2765419 décrit un dispositif de
génération de signaux analogiques à partir de convertisseurs analogique-numérique. Il
décrit l'utilisation d'un modulateur Sigma-Delta dans la transmission du signal
numérique, ainsi que la génération des signaux analogiques, sans permettre toutefois de
contrôler le volume de sortie de manière simple.
Le convertisseur de signal numérique en signal analogique comporte
en général un contrôle du volume. On dispose ensuite un filtre passe-bas permettant
d'éliminer les composantes liées à l'échantillonnage, ainsi qu'un amplificateur de
puissance. L'amplificateur de puissance consomme beaucoup de puissance et abaisse
l'efficacité du circuit général. Ce système n'est pas satisfaisant car, même s'ils permet un
réglage du volume, il nécessite un grand nombre de composants analogiques tel qu'un
convertisseur digital vers analogique 1 bit, des filtres actifs, un amplificateur de
puissance. Ces composants sont intégrés sur une puce dédiée.
Afin de générer le son transmis par le canal audionumérique, il est
connu d'utiliser un modulateur Sigma-Delta suivi d'un dispositif permettant de convertir le
signal numérique en signal analogique et des dispositifs permettant de filtrer le bruit créé
lors de la transmission, ainsi qu'un dispositif de génération du son. Le modulateur
Sigma-Delta est généralement suivi d'une sortie de classe D.
Cette deuxième solution, bien qu'essentiellement numérique ne permet
pas de contrôler le volume de sortie sans abaisser le rapport signal sur bruit du fait de
l'ajout de composants supplémentaires. Elle présente l'avantage de ne nécessiter qu'un
filtre passif discret (à base de composants RLC) en plus de la partie numérique mais ne
permet pas le réglage du volume.
Le modulateur Sigma-Delta est utilisé pour passer d'un mot de N bits à
un mot de M bits, M étant inférieur à N, en éliminant l'erreur de troncature dans la
bande de signaux utiles, qui est la bande dans laquelle la sinusoïde ou un autre signal
est synthétisé. Les composantes spectrales liées à cette troncature sont ensuite rejetées
hors de cette bande. Dans l'application selon l'invention, la longueur des mots de sortie
est de 1 bit. De plus, à la sortie du modulateur, le débit de sortie est plus rapide que
celui d'entrée et peut être réglé pour obtenir un facteur entier de multiplication.
L'invention cherche à améliorer l'efficacité du canal de réception audio
de la seconde solution tout en utilisant un minimum de composants linéaires,
dissipateurs de puissance. Ce canal doit convertir les données d'entrée numériques en un
signal analogique pour permettre un contrôle du volume par l'utilisateur, sans perte dans
le rapport signal-bruit, et piloter un haut-parleur à faible impédance.
L'invention concerne un système de réception audio comprenant un
modulateur pour moduler un premier signal audionumérique avec un premier taux en
un second signal audionumérique avec un second taux supérieur au premier, ledit
second signal comprenant une pluralité de mots de longueur de 1 bit sur une période
prédéterminée ; ainsi qu'un dispositif de sortie comportant un haut-parleur et des
moyens pour transmettre le second signal, sous forme analogique, au haut-parleur.
Suivant une réalisation particulière, ces moyens sont des transistors de
commutation d'une sortie de classe D.
Le système comporte en outre un dispositif de contrôle, connecté d'une
part au modulateur en recevant le second signal, et d'autre part au dispositif de sortie.
Le dispositif de contrôle est apte à contrôler le dispositif de sortie à partir d'une partie de
ladite période prédéterminée, la longueur de ladite partie étant déterminée en fonction
du volume désiré.
L'invention concerne également un procédé de réception audio
comprenant une étape de modulation d'un premier signal audionumérique avec un
premier taux en un second signal audionumérique avec un second taux supérieur au
premier, ledit signal comprenant une pluralité de mots de longueur de 1 bit sur une
période prédéterminée et une étape de réception dudit second signal dans un haut-parleur.
Le premier signal audionumérique est avantageusement modulé dans
un premier modulateur du type Sigma-Delta et comporte une pluralité de mots de
longueur de 1 bit.
Préalablement à l'étape de réception, le haut-parleur est commandé
en fonction d'une partie de ladite période prédéterminée, la longueur de ladite partie
étant déterminée en fonction du volume désiré. Dans une variante, la longueur de ladite
partie commande un court-circuit de l'alimentation.
Le signal de sortie du modulateur Sigma-Delta est un flux de 1 bit,
avec une fréquence supérieure à la fréquence de Nyquist. Le bruit de quantification à
cette sortie se situe principalement dans les hautes fréquences. On pilote directement les
transistors de commutation de la sortie de classe D avec cet échantillonnage. Le filtre
passe-bas dans la sortie de classe D est constitué par un filtre RLC du second ordre dans
lequel la résistance forme le haut-parleur.
L'information numérique transmise dans le signal permet de contrôler
le volume en modifiant la longueur de chaque donnée de sortie ("0" ou "1") du flux
donné par le modulateur Sigma-Delta.
Le signal de sortie du modulateur Sigma-Delta est à la fréquence Fe.
Le pilote de l'étape suivante a une fréquence de N*Fe, où N est un nombre entier, ce qui
permet de diviser la période Te, associée à la fréquence Fe (Te=1/Fe). Pendant une
période Te, on utilise deux subdivisions. La première subdivision correspond au temps
pendant lequel la charge est connectée à l'alimentation S ou -S, selon la valeur du signal
de sortie du modulateur Sigma-Delta (Sdout). La seconde correspond au temps pendant
lequel la charge est court-circuité à la masse.
La valeur du rapport de la durée de deux subdivisions est utilisée pour
régler le volume.
Pour éviter une consommation excessive de puissance, ou la
destruction des transistors MOS, une période de non chevauchement (TN) garantit que le
NMOS et le PMOS du même côté ne sont pas conducteur au même moment.
Chaque période du signal de sortie du modulateur Sigma-Delta est
divisée en deux subdivisions : la première correspond au temps pendant lequel le haut-parleur
est alimenté, et la seconde correspond au temps pendant lequel il est passif. La
valeur du rapport entre ces deux subdivisions est utilisée pour régler le volume.
Tous les terminaux mobiles comportant des moyens de réception
audionumérique peuvent utiliser le système selon l'invention.
L'invention permet d'éviter l'ajout d'un dispositif linéaire comme un
amplificateur opérationnel ou des capacités groupées. De plus, le processus numérique
est simplifié, ce qui permet de diminuer le coût de la fonction. La précision du contrôle
du volume repose sur la précision de l'horloge principale.
La figure 1 représente un schéma général du système selon l'invention.
La figure 2 représente un exemple de codage du signal et les signaux
aux bornes des différentes entrées.
Le dispositif de contrôle 2 selon l'invention est disposé après le
modulateur Sigma-Delta 1 et reçoit son signal de sortie, comme on peut le voir dans la
figure 1. Le signal est alors modulé dans le dispositif de contrôle 2 à une fréquence Fc
multiple de celle de sortie Fe du modulateur Sigma-Delta 1. Dans cet exemple, m=6 et
Fe=2MhZ, de telle manière que Fc=12MhZ. La modulation est effectuée grâce à une
seconde horloge 3. Cette seconde horloge peut être couplée à l'horloge du modulateur
Sigma-Delta 4. Ce dispositif de contrôle 2 intègre ainsi les données liées au volume
dans les subdivisions du signal, en définissant les intervalles de temps qui contiennent le
signal utile.
Le dispositif de sortie 11 représente un pont de sortie de classe D. Les
différentes bornes du dipôle (CMDP, CMDPZ, CMDM, CMDMZ) permettent de contrôler
le signal de sortie, en fonction du signal émis par le dispositif de contrôle 2. Ce pont
comporte, de manière classique, un pont RLC 5. Ce pont RLC permet de réaliser un filtre
passe-bas améliorant la qualité du signal sonore émis par la résistance 10 qui joue le
rôle de haut-parleur. Bien entendu, le filtre passe-bas peut être réalisé d'une autre
manière. Le dispositif de sortie 11 est d'une part alimenté par une tension V fixe et
d'autre part mis à la masse.
Le système selon l'invention est destiné à un réglage statique du
volume : il est bien connu qu'un utilisateur règle le volume de son appareil une à deux
fois lors de l'utilisation. L'invention utilise également le fait qu'à haute fréquence,
l'utilisateur n'entend pas les interruptions temporaires d'émission sonore.
La figure 2 permet de comprendre comment le volume est modulé
dans le signal transmis. Dans ce cas, le signal utile est transmis dans les trois premières
périodes Tc (correspondant à la fréquence de sortie Fc) du train d'ondes. On note cette
valeur Tt. Les valeurs numériques choisies dans cet exemple permettent de disposer de
six périodes Tc dans une période Te. Le haut-parleur, au lieu d'être sollicité une fois
dans le temps Te, est sollicité Tt/Tc fois dans le temps Tt. Le réglage du volume consiste
à définir ce nombre Tt/Tc.
L'oreille humaine ne permet pas de remarquer le changement de
fréquence du haut-parleur. Les mots de 1 bits à la fréquence Fe sont représentés dans la
ligne 6. Les lignes 7 et 8 représentent respectivement les périodes Tc et Te. L'ensemble
des lignes 9a, 9b, 9c, 9d représentent respectivement le signal aux bornes CMDP,
CMDPZ, CMDM, CMDMZ du pont de sortie. Dans cette exemple, le signal utile est
transmis dans les trois premières périodes Tc : Tt/Tc=3. L'information concernant le
volume est alors le rapport Tt/Te.
Les trois périodes suivant Tt sont inutilisées, en particulier en l'absence
de filtre passif aux bornes dans une première variante. Pour supprimer le bruit, un filtre
passif est ajouté.
Dans le cas d'une utilisation sans filtre passif, il est avantageux mais
non obligatoire d'effectuer un court-circuit pendant les périodes résiduelles afin
d'éliminer les charges résiduelles. Dans le cas où l'on utilise un filtre passif, un court-circuit
permet d'éviter que des charges demeurent et dégradent ledit filtre. L'usage du
filtre passif sans court-circuit oblige à employer des moyens supplémentaires qui nuisent
à l'efficacité et à la simplicité du dispositif, afin d'éliminer les charges résiduelles.
Tout élément permettant de découper la période du signal en sous-périodes
peut remplacer l'horloge. En particulier, si un découpage en périodes régulières
est plus avantageux, tout autre découpage peut être utilisé, ce qui compliquera la lecture
de l'information concernant le volume. Pour un réglage de volume donné, tout type de
répartition du signal est possible dans la période principale Te.
L'information la plus importante consiste en le nombre global de sous-périodes
utilisées : Tt/Tc. Il n'est pas obligatoire que ces périodes soient toutes
consécutives.
Dans ce cas, la partie de la période prédéterminée permettant de
régler le volume comporte des sous-périodes non consécutives. La longueur totale Tt
contient toujours l'information.
Il est nécessaire que cette répartition soit reproductible.
Une variante consiste à modifier la répartition des signaux utiles en
fonction du volume. Cette variante permet d'optimiser l'utilisation des différents
composants.