FR2558316A1 - Method for synchronously modulating an analog signal, modulator and demodulator for transmitting a signal according to this method and method of framewise transmission of digital and analog signals applying the said method. - Google Patents
Method for synchronously modulating an analog signal, modulator and demodulator for transmitting a signal according to this method and method of framewise transmission of digital and analog signals applying the said method. Download PDFInfo
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Abstract
Description
Procédé e modulation synchrone d'un signal ana7Jgique, modulateur et démodulateur pour la transmission d'un signal suivant ce procédé et procédé de transmission de signaux numériques et analogiques en trame appliquant ledit procédé. Method and synchronous modulation of an analog signal, modulator and demodulator for the transmission of a signal according to this method and method of transmission of digital and analog signals in a frame applying said method.
La présente invention concerne un procédé de modulation synchrone d'un signai analogique sous la forme d'un signal à deux niveaux d'amplitude. L'invention a aussi pour objet des modulateurs et des démodu- lateurs pour la transmission d'un signal suivant ce procédé. Cette invention s'applique notamment à la transmission de signaux analogiques sur fibres opti- ques tels que les signaux ce télévision. L'invention concerne enfin la transmission sous forme de trame de signaux numériques et analogiques appliquant le procédé dé de modulation synchrone de l'in'vcntion. The present invention relates to a method of synchronous modulation of an analog signal in the form of a signal with two amplitude levels. A subject of the invention is also modulators and demodulators for the transmission of a signal according to this method. This invention applies in particular to the transmission of analog signals over optical fibers such as television signals. Finally, the invention relates to the transmission in the form of a frame of digital and analog signals applying the method of synchronous modulation of the invention.
On connalt de nombreu procédés de transmission d'un signal analogique en particulier la numérisation de ce signal, la transmission en bande de base et le codage par modulation d'impulsions. Numerous methods of transmitting an analog signal are known, in particular the digitization of this signal, the transmission in baseband and the coding by pulse modulation.
La transmission sous forme numérisée est peu utilisée pour des signaux de large bande spectrale tels qu'un signal de télévision, à cause du débit important requis et de la complexité du décodeur à la réception. Transmission in digital form is little used for broadband spectral signals such as a television signal, because of the high bit rate required and the complexity of the decoder at reception.
Pour un tel signal, la transmission en bande de base est envisageable mais la qualité de la transmission est limitée par la non linéarité puissancecourant des diodes laser ou des diodes électroluminescentes d'émission. For such a signal, baseband transmission can be envisaged, but the quality of the transmission is limited by the non-linear power that is emitted by laser diodes or emitting light-emitting diodes.
Pour s'affranchir de ces non linéarités, on utilise de manière connue des modulations à deux niveaux d'amplitude appelées modulations d'impulsions. To overcome these non-linearities, modulations with two amplitude levels called pulse modulations are used in a known manner.
On distingue usuellement les modulations asynchrones et les modulations synchrones.A distinction is usually made between asynchronous modulations and synchronous modulations.
On a représenté sur la figure 1 les signaux modulés obtenus suivant différentes modulations asynchrones ou synchrones connues représentant un signal analogique linéaire référencé a. FIG. 1 shows the modulated signals obtained according to various known asynchronous or synchronous modulations representing a linear analog signal referenced a.
Les signaux b, c et d sont des modulations asynchrones et les signaux e et f sont des modulations synchrones de période T. Le signal b est une modulation par fréquence de transition du signal a. La fré- quence des transitions est d'autant plus importante que l'amplitude du signal a est élevée. Le signal G, appelé modulation d'impulsions en fréquence, est proche du signal b. Il présente une impulsion pour chaque transition du signal b. Le signal d est une modulation par intervalle d'impulsions. La distance entre deux impulsions successives est d'autant plus grande que l'amplitude du signal a est grande. The signals b, c and d are asynchronous modulations and the signals e and f are synchronous modulations of period T. The signal b is a modulation by frequency of transition of the signal a. The higher the frequency of the transitions, the higher the amplitude of the signal a. Signal G, called pulse frequency modulation, is close to signal b. It presents a pulse for each transition of signal b. Signal d is pulse interval modulation. The greater the distance between two successive pulses, the greater the amplitude of the signal a.
Ces trois signaux de modulation sont asynchrones, c'est-à-dire que la fréquence d'échantillonnage n'est pas constante. Ceci présente des inconvénients notamment quant à la largeur de la bande spectrale du signal modulé. En effet, si le signal a a une amplitude élevée, la fréquence des transitions du signal b va s'accrottre, ce qui augmente considérablement la bande spectrale. These three modulation signals are asynchronous, that is to say that the sampling frequency is not constant. This has drawbacks, in particular with regard to the width of the spectral band of the modulated signal. Indeed, if the signal a has a high amplitude, the frequency of the transitions of the signal b will increase, which considerably increases the spectral band.
A titre d'exemple, pour un signal occupant en bande de base un spectre de fréquences comprises entre 0 et 6 MHz, la bande passante minimale est de llordre de 50 MHZ pour transmettre le signal b et de 90 MHZ pour transmettre le signal c. For example, for a signal occupying in the base band a frequency spectrum between 0 and 6 MHz, the minimum bandwidth is of the order of 50 MHz for transmitting the signal b and 90 MHz for transmitting the signal c.
Les signaux e et f sont des modulations synchrones. Le signal e est appelé modulation par largeur d'impulsions et le signal f modulation par position d'impulsions. Le signal e présente un front montant au début de chaque période T de l'horloge de synchronisation. A chaque transistion du signal e correspond une impulsion du signal f. The signals e and f are synchronous modulations. The signal e is called pulse width modulation and the signal f modulation by pulse position. The signal e has a rising edge at the start of each period T of the synchronization clock. Each transistion of signal e corresponds to a pulse of signal f.
Le procédé de modulation de l'invention est de type synchrone comme les procédés de modulation illustrés par les signaux e et f. Il n'est donc pas inutile, pour une meilleure compréhension de 11 apport de l'invention, de détailler le mode de production des signaux e et f. Ce mode de production va maintenant être expliqué en référence à la figure 2. The modulation method of the invention is of the synchronous type like the modulation methods illustrated by the signals e and f. It is therefore not unnecessary, for a better understanding of the contribution of the invention, to detail the mode of production of the signals e and f. This production mode will now be explained with reference to Figure 2.
Sur cette figure, on a représenté successivement un signal d'horloge g de période T, un signal i analogique modulant, un signal h en dents de scie périodique et de période T, et des signaux j et k représentant respectivement la modulation en largeur d'impulsions et la modulation en position d'impulsions du signal analogique i. Le signal k se déduisant aisément du signal j ( une impulsion du signal k correspond à une transition du signal j), on se limitera à la description du mode de production du signal j. In this figure, there is shown successively a clock signal g of period T, a modulating analog signal i, a signal h of periodic sawtooth and of period T, and signals j and k respectively representing the width modulation d pulses and the pulse position modulation of the analog signal i. The signal k being easily deduced from the signal j (a pulse of the signal k corresponds to a transition of the signal j), we will limit ourselves to the description of the mode of production of the signal j.
Ce signal j est un signal à deux niveaux d'amplitude. I1 présente un front montant synchronisé avec le front montant du signal d'horloge g. Dans chaque intervalle de temps T entre deux fronts montants, il présente un unique front descendant dont la position est fonction de l'amplitude du signal analogique i. Cette fonction amplitude-position de transition peut être quelconque. La fonction utilisée ici est linéaire. C'est la fonction la plus utilisée car la plus simple. This signal j is a signal with two amplitude levels. I1 has a rising edge synchronized with the rising edge of the clock signal g. In each time interval T between two rising edges, it has a single falling edge whose position is a function of the amplitude of the analog signal i. This amplitude-position transition function can be arbitrary. The function used here is linear. It is the most used function because the simplest.
Pour déterminer la date de la transition, on utilise un signal en dents de scie h, périodique de période T et dont les amplitudes négatives et positives maximales sont au moins égales aux amplitudes négatives et positives maximales du signal i. Ce signal h présente une rampe croissant de l'amplitude maximale négative à l'amplitude maximale positive pendant chaque période T,
La date de transition du signal j dans une période de temps T est la date pour laquelle les amplitudes des signaux i et h sont égales. Ainsi, sur la figure 2, la largeur 11 de la première impulsion du signal j représente l'amplitude al du signal i à la date tl. De même, la largeur 12 de la deuxième impulsion du signal j représente l'amplitude a2 du signal i à la date t2.To determine the date of the transition, we use a sawtooth signal h, periodic with period T and whose maximum negative and positive amplitudes are at least equal to the maximum negative and positive amplitudes of the signal i. This signal h has an increasing ramp from the maximum negative amplitude to the maximum positive amplitude during each period T,
The date of transition of the signal j in a time period T is the date for which the amplitudes of the signals i and h are equal. Thus, in FIG. 2, the width 11 of the first pulse of the signal j represents the amplitude al of the signal i at the date tl. Similarly, the width 12 of the second pulse of the signal j represents the amplitude a2 of the signal i at the date t2.
Un désavantage important du procédé de modulation par largeur d'impulsions est la largeur de bande du signal obtenu. De plus, si la profondeur de modulation est importante, c'est-à-dire si la transition descendante du signal j peut avoir lieu à n'importe quel instant de l'intervalle de temps T, deux transitions consécutives du signal j peuvent être très proches l'une de l'autre. La largeur de la bande passante pour la transmission du signal j est alors très importante. A major disadvantage of the pulse width modulation method is the bandwidth of the signal obtained. In addition, if the modulation depth is large, that is to say if the downward transition of the signal j can take place at any time of the time interval T, two consecutive transitions of the signal j can be very close to each other. The width of the passband for the transmission of the signal j is therefore very large.
Un autre désavantage réside en ce que le procédé de modulation par largeur d'impulsions réalise un échantillonnage du signal i qui n'est pas périodique. I1 est clair en effet que l'intervalle de temps entre les dates d'échantillonnages tl et t2 est supérieur, dans le cas de la figure à la période T du signal d'horloge. Ceci est le cas général lorsque le signal i est croissant. Lorsque ce signal est décroissant, les intervalles de temps entre deux dates d'échantillonnage successives sont inférieurs à la période T.La fréquence d'échantillonnage n'étant égale a T qu'en moyenne, il est donc nécessaire d'utiliser une fréquence moyenne d'échantillonnage plus élevée que la fréquence minimale autorisée par la théorie de 1 Wc.antillonnage, cette fréquence minimale étant au au double de a fréquence la plus élevée conte- nue dans le signal analogique. Ceci contribue à augmenter la largeur de la bande passante du signal j. Another disadvantage is that the pulse width modulation method performs sampling of the signal i which is not periodic. It is clear in fact that the time interval between the sampling dates tl and t2 is greater, in the case of the figure, than the period T of the clock signal. This is the general case when the signal i is increasing. When this signal is decreasing, the time intervals between two successive sampling dates are less than the period T. The sampling frequency being equal to T only on average, it is therefore necessary to use an average frequency sampling frequency higher than the minimum frequency allowed by the theory of 1 W. sampling, this minimum frequency being at twice the highest frequency contained in the analog signal. This contributes to increasing the width of the bandwidth of the signal j.
Pour le signal indiqué plus haut, occupant un spectre de fréquences comprises entre 0 et 6 MHz, la bande passante minimale pour transmettre le signal j est de 140 MHz. For the signal indicated above, occupying a frequency spectrum between 0 and 6 MHz, the minimum bandwidth to transmit the signal j is 140 MHz.
Ceci rend impossible l'utilisation d'émet teurs optiques simples, tels que les diodes électrolu minescentes, et les supports de transmission simples, tels que les fibres optiques multimodes à saut dtindi- ce dont la bande passante est limitée à quelques dizaines de mégahertz kilomètre Ceci a également des incidences sur la consommation et le coat des eircuits de transmission assurant les diverses fonctions d'am- plification, de sélection et de commutation. This makes it impossible to use simple optical transmitters, such as light-emitting diodes, and simple transmission media, such as multimode hopping optical fibers, the bandwidth of which is limited to a few tens of megahertz kilometers. This also has an impact on the consumption and the cost of the transmission circuits providing the various amplification, selection and switching functions.
L'invention a pour but de transmettre un signal analogique par un procédé de modulation synchrone nécessitant une bande passante beaucoup plus faible que celle nécessaire pour la transmission des signaux obtenus par les procédés de modulation synchrone connus. Pour cela, l'invention remarque qu'un signal à modulation synchrone présente une transition descendante unique pendant chaque période T d'horloge.La fréquence moyenne de ces transitions est donc égale à T On peut donc récupérer un signal d'horloge de période T en se synchronisant à la réception, par exemple au moyen d'une boucle à verrouillage de phase, sur les transitions descendantes du signal j. I1 n'est donc pas nécessaire de transmettre explicitement le signal d'horloge, ce qui permet d'éliminer une transition sur deux dans le signal modulé. La fréquence moyenne des changements d'état étant divisée par deux, la bande passante du signal est elle aussi divisée par deux. The object of the invention is to transmit an analog signal by a synchronous modulation method requiring a much lower bandwidth than that necessary for the transmission of the signals obtained by the known synchronous modulation methods. For this, the invention notes that a synchronous modulation signal has a unique downward transition during each clock period T. The average frequency of these transitions is therefore equal to T We can therefore recover a clock signal of period T by synchronizing on reception, for example by means of a phase-locked loop, on the downward transitions of the signal j. It is therefore not necessary to explicitly transmit the clock signal, which makes it possible to eliminate one transition out of two in the modulated signal. Since the average frequency of state changes is halved, the signal bandwidth is also halved.
De plus, l'invention se démarque des procédés de modulation synchrone décrits en référence à la figure 2 en ce qu'elle réalise un échantillonnage périodique du signal analogique. Ceci permet de diminuer légèrement la fréquence d'échantillonnage et, en conséquence, de diminuer légèrement la bande passante nécessaire à la transmission du signal. In addition, the invention differs from the synchronous modulation methods described with reference to FIG. 2 in that it performs periodic sampling of the analog signal. This makes it possible to slightly decrease the sampling frequency and, consequently, to slightly decrease the bandwidth necessary for the signal transmission.
De manière précise, le procédé de l'invention consiste à créer un signal à deux niveaux pré- sentant une transition de niveau unique entre deux dates d'échantillonnage consécutives, la durée entre une date d'échantillonnage et la date de la première transition apparaissant après cette date d'échantillonnage étant fonction de l'amplitude du signal analogique modulant à ladite date d'échantillonnage. Specifically, the method of the invention consists in creating a two-level signal presenting a single level transition between two consecutive sampling dates, the duration between a sampling date and the date of the first transition appearing after this sampling date being a function of the amplitude of the analog signal modulating on said sampling date.
La fonction durée-amplitude peut être quelconque. De manière préférée, on utilise une fonction linéaire. The duration-amplitude function can be arbitrary. Preferably, a linear function is used.
Selon une caractéristique du procédé selon l'invention, la durée maximale entre une date d'échantillonnage et la date d'apparition de ladite transition est inférieure à la durée d'une période d'échan t illonnage. According to a characteristic of the method according to the invention, the maximum duration between a sampling date and the date of appearance of said transition is less than the duration of a sampling period.
La profondeur de modulation est donc inférieure à 100%. Elle peut etre par exemple limitée à 50%, ce qui permet de limiter la plus haute fréquence du signal modulé à la fréquence de l'horloge d'échantillonnage. The modulation depth is therefore less than 100%. It can for example be limited to 50%, which makes it possible to limit the highest frequency of the modulated signal to the frequency of the sampling clock.
L'invention a aussi pour objet un modulateur pour la mise en oeuvre du procédé selon l'invention comprenant un moyen pour échantillonner, à des intervalles de temps réguliers, le signal analogique, un moyen de conversion pour associer une durée à l'amplitude du signal échantillonné, ladite durée débutant avec la date d'échantillonnage, un moyen pour produire un signal à deux niveaux dont les transitions de niveau ont lieu à la fin de chacune desdites durées. The subject of the invention is also a modulator for implementing the method according to the invention comprising a means for sampling, at regular time intervals, the analog signal, a conversion means for associating a duration with the amplitude of the signal sampled, said duration starting with the date of sampling, means for producing a two-level signal whose level transitions take place at the end of each of said durations.
L'invention a encore pour objet un démodulateur pour la régénération d'un signal analogique modulé selon le procédé de l'invention comprenant un moyen de récupération de l'horloge du signal transmis, un moyen pour produire un signal d'impulsions à la fréquence d'horloge, chaque impulsion ayant un niveau fonction de la durée entre un front d'horloge et la transition du signal modulé suivant ce front et un filtre passe-bas. The invention also relates to a demodulator for the regeneration of an analog signal modulated according to the method of the invention comprising a means for recovering the clock of the transmitted signal, a means for producing a pulse signal at the frequency clock, each pulse having a level which is a function of the duration between a clock edge and the transition of the signal modulated along this edge and a low-pass filter.
L'invention a enfin pour objet un procédé de transmission, dans une même trame, de signaux numériques et de signaux analogiques, appliquant le procédé de modulation de l'invention, ladite trame étant constituée d'un ensemble de cellules de longueur T et contenant, à raison d'un bit par cellule, un mot de synchronisation et une séquence de bits d'au moins un signal numérique composant, ladite trame comprenant en outre au moins un signal analogique modulé selon le procédé de modulation synchrone de l'invention sur une horloge de fréquence 1
Les caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront mieux de la description qui va suivre, donnée à titre illustratif mais non limitatif, en référence aux figures annexées sur lesquelles
- la figure 1, déjà décrite, illustre les principaux procédés de modulation à deux niveaux d'amplitude connus de lthomme de l'art,
- la figure 2 illustre le mode de production des signaux à modulation synchrone de type à modulation de largeur d'impulsions ou à modulation de position d'impulsions connu de l'homme de l'art,
- la figure 3 est un chronogramme illustrant le mode de production d'un signal à deux niveaux d'amplitude représentant un signal analogique selon le procédé de modulation synchrone de l'invention,
- les figures 4a et 4b représentent respectivement un mode de réalisation d'un modulateur pour l'émission d'un signal selon le procédé de l'invention et un chronogramme des signaux de ce modulateur,
- les figures 5a et 5b représentent respectivement un autre mode de réalisation d'un modulateur pour l'émission d'un signal selon le procédé de modulation de l'invention et un chronogramme des signaux de ce modulateur,
- les figures 6a et 6b représentent respectivement un mode de réalisation d'un démodulateur pour la réception d'un signal produit par un modulateur conforme à l'invention et un chronogramme des signaux de ce démodulateur,
- les figures 7a et 7b représentent respectivement un autre mode de réalisation d'un démodulateur pour la réception d'un signal produit par un démodulateur conforme à l'invention et un chronogramme des signaux de ce démodulateur,
- la figure 8 représente une trame pour la transmission simultanée de signaux numériques et de signaux analogiques, lesdits signaux analogiques étant modulés suivant le procédé de l'invention,
- les figures 9a et 9b sont des dessins schématiques d'un circuit de récupération de l'horloge de trame.The subject of the invention is finally a method of transmitting, in the same frame, digital signals and analog signals, applying the modulation method of the invention, said frame consisting of a set of cells of length T and containing , at a rate of one bit per cell, a synchronization word and a sequence of bits of at least one component digital signal, said frame further comprising at least one analog signal modulated according to the synchronous modulation method of the invention on a frequency clock 1
The characteristics and advantages of the invention will emerge more clearly from the description which follows, given by way of illustration but not limitation, with reference to the appended figures in which
FIG. 1, already described, illustrates the main modulation methods with two amplitude levels known to those skilled in the art,
FIG. 2 illustrates the mode of production of synchronous modulation signals of the pulse width modulation or pulse position modulation type known to those skilled in the art,
FIG. 3 is a timing diagram illustrating the mode of production of a signal with two amplitude levels representing an analog signal according to the synchronous modulation method of the invention,
FIGS. 4a and 4b respectively represent an embodiment of a modulator for the emission of a signal according to the method of the invention and a timing diagram of the signals of this modulator,
FIGS. 5a and 5b respectively represent another embodiment of a modulator for the emission of a signal according to the modulation method of the invention and a timing diagram of the signals of this modulator,
FIGS. 6a and 6b respectively represent an embodiment of a demodulator for the reception of a signal produced by a modulator according to the invention and a timing diagram of the signals of this demodulator,
FIGS. 7a and 7b respectively represent another embodiment of a demodulator for the reception of a signal produced by a demodulator according to the invention and a timing diagram of the signals of this demodulator,
FIG. 8 represents a frame for the simultaneous transmission of digital signals and analog signals, said analog signals being modulated according to the method of the invention,
- Figures 9a and 9b are schematic drawings of a frame clock recovery circuit.
On va maintenant expliquer le procédé de modulation de l'invention en se référant au chronogramme de la figure 3. Le signal 1 est un signal d'horloge de période T qui définit la fréquence d'échantillonnage. We will now explain the modulation method of the invention with reference to the timing diagram of FIG. 3. Signal 1 is a clock signal of period T which defines the sampling frequency.
Pour produire le signal à deux niveaux n, on compare l'amplitude minimale possible du signal analogique modulant i à un signal m en dents de scie modulé par le signal i. Dans chaque période T, le signal m présente une rampe négative dont la hauteur est égale à la différence entre les amplitudes maximales et minimales possibles du signal i, l'amplitude du signal m et l'amplitude du signal i étant égale au début de chaque période T.To produce the signal at two levels n, the minimum possible amplitude of the analog signal modulating i is compared to a sawtooth signal m modulated by the signal i. In each period T, the signal m has a negative ramp whose height is equal to the difference between the maximum and minimum possible amplitudes of the signal i, the amplitude of the signal m and the amplitude of the signal i being equal at the start of each period T.
Le signal modulé n est construit de la façon suivante. I1 présente une transition unique dans chaque période T, cette transition ayant lieu lorsque le signal en dents de scie m égale l'amplitude minimale possible du signal i. Ainsi la longueur 13 entre le début d'une période T et la transition du signal n est elle une fonction linéaire de l'amplitude a3 du signal i au début de la période T. The modulated signal n is constructed as follows. I1 presents a unique transition in each period T, this transition taking place when the sawtooth signal m equals the minimum possible amplitude of the signal i. Thus the length 13 between the start of a period T and the transition of the signal n is it a linear function of the amplitude a3 of the signal i at the start of the period T.
Une première différence entre le procédé de modulation de l'invention, Illustré par la figure 3, et les procédés de modulations synchrones connus de l'home de l'art, illustrés par la figure 2, réside donc dans le fait que la fréquence d'échantillonnage est constante dans le procédé de l'invention. A first difference between the modulation method of the invention, illustrated by FIG. 3, and the synchronous modulation methods known to those skilled in the art, illustrated by FIG. 2, therefore lies in the fact that the frequency d sampling is constant in the method of the invention.
La comparaison entre le signal n de la figure 3 et le signal j de la figure 2 représentant le meme signal analogique i permet de se rendre compte de la diminution importante de la bande spectrale utilisee. The comparison between the signal n in FIG. 3 and the signal j in FIG. 2 representing the same analog signal i makes it possible to realize the significant reduction in the spectral band used.
Ainsi, la bande passante minimale pour la transmission d'un signal occupant en bande de base un spectre de fréquences comprises entre 0 et 6 MHz estelle ramenée de 140 MHZ pour une modulation synchrone par largeur d'impulsion, connue de l'homme de l'art, à moins de 20 MHZ pour la modulation synchrone selon l'invention. Thus, the minimum bandwidth for the transmission of a signal occupying in baseband a frequency spectrum between 0 and 6 MHz is reduced by 140 MHZ for synchronous modulation by pulse width, known to those skilled in the art. art, at less than 20 MHz for synchronous modulation according to the invention.
Ceci a des conséquences importantes sur les moyens utilisables pour mettre en oeuvre le procédé de modulation de l'invention. On peut employer comme émetteur une diode électroluminescente classique fia ble et peu coûteuse, comme support de transmission une fibre optique multimode à saut d'indice et comme récepteur une photodiode de structure PIN suivie d'un transistor à effet de champ. This has important consequences for the means that can be used to implement the modulation method of the invention. A reliable and inexpensive conventional light-emitting diode can be used as the emitter, as a transmission medium a multimode index-hopping optical fiber and as a receiver a photodiode of PIN structure followed by a field effect transistor.
On va maintenant décrire deux modes de réalisation d'un modulateur pour la transmission d'un signal analogique suivant le procédé de l'invention. We will now describe two embodiments of a modulator for the transmission of an analog signal according to the method of the invention.
La fonction principale de ces modulateurs consiste en une conversion d'une amplitude en une durée. Dans les deux cas, la transition unique apparaissant pendant chaque période T d'échantillonnage est déterminée par comparaison entre un signal en dents de scie et un signal constant. La fonction durée amplitude est donc linéaire. De plus, dans les deux cas, la profondeur de modulation est de 100%.The main function of these modulators consists in converting an amplitude into a duration. In both cases, the single transition occurring during each sampling period T is determined by comparison between a sawtooth signal and a constant signal. The amplitude duration function is therefore linear. In addition, in both cases, the modulation depth is 100%.
Le modulateur de la figure 4a comprend en série un moyen d'échantillonnage 2 recevant le signal analogique S, un moyen de conversion 4 délivrant des impulsions dont la durée est fonction de l'amplitude des échantillons du signal S et un moyen 6 pour produire un signal à deux niveaux dont les transitions ont lieu à la fin de chacune desdites durées. La figure 4b est un chronogramme des signaux du modulateur. The modulator of FIG. 4a comprises in series a sampling means 2 receiving the analog signal S, a conversion means 4 delivering pulses whose duration depends on the amplitude of the samples of the signal S and a means 6 for producing a two-level signal whose transitions take place at the end of each of said durations. Figure 4b is a timing diagram of the modulator signals.
Le moyen d'échantillonnage 2 comprend une base de temps 8 délivrant un signal dtimpulsions CI à la fréquence Tt un interrupteur 10 commandé par le signal d'impulsion CI et un condensateur 12. Chaque impulsion du signal CI ferme 1:interrupteur 10 ce qui charge le condensateur 12. Cette charge est représentée par les fronts montants du signal V1 synchronisé avec les impulsions du signal CI. The sampling means 2 comprises a time base 8 delivering a pulse signal CI at the frequency Tt a switch 10 controlled by the pulse signal CI and a capacitor 12. Each pulse of the signal CI closes 1: switch 10 which charges the capacitor 12. This charge is represented by the rising edges of the signal V1 synchronized with the pulses of the signal CI.
Le moyen de conversion 4 comprend un générateur de courant 14 et un comparateur 16. L'entrée non inverseuse du comparateur est reliée au condensateur 12 et l'entrée inverseuse du comparateur reçoit un signal de tension constant vr. Chaque échantillon prélevé lors de la fermeture de l'interrupteur 10 charge le condensateur 12 qui se décharge ensuite linéairement dans le générateur de courant 14. Ce signal est comparé au signal Vr dont le niveau est légèrement inférieur à la valeur minimale du signal analogique S. The conversion means 4 comprises a current generator 14 and a comparator 16. The non-inverting input of the comparator is connected to the capacitor 12 and the inverting input of the comparator receives a constant voltage signal vr. Each sample taken when the switch 10 is closed charges the capacitor 12 which then discharges linearly into the current generator 14. This signal is compared to the signal Vr whose level is slightly lower than the minimum value of the analog signal S.
On obtient ainsi en sortie du comparateur 16 un signal D dont les fronts montants sont synchrones avec les impulsions du signal CI et dont les fronts descendants ont une position temporelle qui est une fonction linéaire de l'amplitude des échantillons auxquels ils correspondent. There is thus obtained at the output of the comparator 16 a signal D whose rising edges are synchronous with the pulses of the signal CI and whose falling edges have a time position which is a linear function of the amplitude of the samples to which they correspond.
Ce signal est appliqué sur l'entrée d'une bascule bistable 6 dont le changement d'état est commandé par un front descendant. Le signal SM produit par la bascule bistable constitue un signal modulé selon le procédé de l'invention du signal analogique S. This signal is applied to the input of a flip-flop 6 whose change of state is controlled by a falling edge. The signal SM produced by the flip-flop constitutes a signal modulated according to the method of the invention of the analog signal S.
Le modulateur représenté sur la figure 5a est une variante de réalisation d'un modulateur dans lequel le moyen de conversion est de type linéaire. The modulator shown in FIG. 5a is an alternative embodiment of a modulator in which the conversion means is of the linear type.
Dans ce modulateur, le signal délivré par l'interrupteur 10 est constant pendant chaque période d'échantillonnage et il est comparé à un signal de référence en dents de scie. Ce signal Vs est produit par la base de temps 8 et appliqué sur l'entrée inverseuse du comparateur 16.In this modulator, the signal delivered by the switch 10 is constant during each sampling period and it is compared to a sawtooth reference signal. This signal Vs is produced by the time base 8 and applied to the inverting input of the comparator 16.
Le moyen de conversion 4 ne comporte pas de générateur de courant 14 comme le modulateur de la figure 4a. Le signal délivré par l'interrupteur et appliqué sur l'entrée non inverseuse du comparateur 16 est donc constant pendant chaque période d'échantillonnage. La position temporelle du front descendant du signal D est donc également une fonction linéaire de l'amplitude de l'échantillon auquel il correspond, comme dans le modulateur de la figure 4a. The conversion means 4 does not include a current generator 14 like the modulator of FIG. 4a. The signal delivered by the switch and applied to the non-inverting input of comparator 16 is therefore constant during each sampling period. The temporal position of the falling edge of the signal D is therefore also a linear function of the amplitude of the sample to which it corresponds, as in the modulator of FIG. 4a.
Le signal modulé produit par les modulateurs des figures 4a et 5a est transmis par exemple par voie hertzienne ou par fibres optiques ; il est reçu par un démodulateur comprenant principalement un moyen de récupération du signal d'horloge, un moyen pour convertir la durée entre un front d'horloge et une transition du signal en une amplitude et un moyen pour reproduire le signal analogique à partir desdites amplitudes. On a représenté sur les figures 6a et 7a deux modes de réalisation de démodulateur conformes à l'invent ion. Le moyen de conversion durée-amplitude est dans les deux cas de type linéaire. The modulated signal produced by the modulators of Figures 4a and 5a is transmitted for example by radio or by optical fibers; it is received by a demodulator mainly comprising a means for recovering the clock signal, a means for converting the duration between a clock edge and a transition of the signal into an amplitude and means for reproducing the analog signal from said amplitudes . There are shown in Figures 6a and 7a two embodiments of demodulator according to the invention. The duration-amplitude conversion means is in both cases of the linear type.
Le démodulateur de la figure 6a comprend un moyen de conversion 20 recevant le signal modulé SM et le signal d'horloge H et délivrant un signal d'impulsion SI. I1 comprend en outre un filtre passe-bas 22 qui transforme le signal d'impulsions SI en un signal analogique S identique au signal analogique reçu par le modulateur. Le démodulateur comprend enfin un moyen de récupération d'horloge 18. Ce moyen peut de façon classique constituer avec les autres éléments du démodulateur une boucle à verrouillage de phase. I1 reçoit le signal S délivré par le filtre passe-bas 22 ét délivre un signal d'horloge H de fréquence T égale à la fréquence d'échantillonnage du signal analogique S à la modulation. The demodulator of FIG. 6a comprises a conversion means 20 receiving the modulated signal SM and the clock signal H and delivering a pulse signal SI. I1 further comprises a low-pass filter 22 which transforms the pulse signal SI into an analog signal S identical to the analog signal received by the modulator. The demodulator finally comprises a clock recovery means 18. This means can conventionally constitute, with the other elements of the demodulator, a phase locked loop. I1 receives the signal S delivered by the low-pass filter 22 and delivers a clock signal H of frequency T equal to the sampling frequency of the analog signal S at modulation.
On va maintenant décrire le mode de fonctionnement du moyen de conversion 20 en se référant au chronogramme de la figure 6b. Le signal d'horloge H est appliqué après division par deux dans un diviseur 24 sur une entrée d'une porte OU-exclusif 26 dont l'autre entrée reçoit le signal modulé SM. Le signal D délivré par cette porte 26 est identique au signal D délivré par le comparateur 16 des modulateurs des fi gure 4a et 5a. The mode of operation of the conversion means 20 will now be described with reference to the timing diagram in FIG. 6b. The clock signal H is applied after division by two in a divider 24 on an input of an exclusive OR gate 26 whose other input receives the modulated signal SM. The signal D delivered by this gate 26 is identical to the signal D delivered by the comparator 16 of the modulators of FIGS. 4a and 5a.
Les transitions montantes de ce signal D sont synchronisées avec les transitions du signal d'horloge H2 et les transitions descendantes de ce signal D sont synchronisées avec les transitions du signal modulé SM. The rising transitions of this signal D are synchronized with the transitions of the clock signal H2 and the descending transitions of this signal D are synchronized with the transitions of the modulated signal SM.
I1 faut maintenant convertir la durée des impulsions du signal D en des niveaux d'amplitude. It is now necessary to convert the duration of the pulses of signal D into amplitude levels.
Ceci est réalisé par l'intermédiaire d'un interrupteur 28 commandé par le signal D et par un générateur de courant 30 et un condensateur 32 en parallèle. L'in- terrupteur 28 est fermé lorsque le signal D est au niveau haut. On obtient donc aux bornes du condensa- teur 32 un signal V3 tel que représenté sur la figure 6b.This is achieved by means of a switch 28 controlled by the signal D and by a current generator 30 and a capacitor 32 in parallel. The switch 28 is closed when the signal D is at the high level. There is therefore obtained at the terminals of the capacitor 32 a signal V3 as shown in FIG. 6b.
Une base de temps 34 délivrant un signal d'impulsions CI1 appliquée sur l'entrée de commande d'un interrupteur 36 permet d'échantillonner ce signal
V3. Après échantillonnage, l'entrée de l'interrupteur 36 est remise à zéro par fermeture d'un interrupteur 38 qui réalise la décharge du condensateur 32. Cet interrupteur 38 est commandé par un signal d'impulsion CI2 de même fréquence que le signal CI1 et légèrement retardé par rapport à celui-ci.A time base 34 delivering a pulse signal CI1 applied to the control input of a switch 36 makes it possible to sample this signal
V3. After sampling, the input of the switch 36 is reset to zero by closing a switch 38 which discharges the capacitor 32. This switch 38 is controlled by a pulse signal CI2 of the same frequency as the signal CI1 and slightly delayed compared to this one.
Le signal échantillonné SI délivré par l'interrupteur 36 est représenté sur la figure 6b. Il est appliqué sur l'entrée d'un filtre passe-bas 22 qui permet de restaurer le signal analogique S. The sampled signal SI delivered by the switch 36 is shown in Figure 6b. It is applied to the input of a low-pass filter 22 which makes it possible to restore the analog signal S.
On a représenté sur la figure 7a un autre mode de réalisation du démodulateur selon l'invention. FIG. 7a shows another embodiment of the demodulator according to the invention.
Les éléments de ce démodulateur identiques à ceux du démodulateur de la figure 6a portent les mêmes références. La différence entre les deux modes de réalisation réside dans le mode de production du signal d'impulsion SI à partir du signal à deux états D. The elements of this demodulator identical to those of the demodulator of FIG. 6a bear the same references. The difference between the two embodiments lies in the mode of production of the pulse signal SI from the two-state signal D.
On va expliquer le fonctionnement du circuit de la figure 7a en se référant au chronogramme de la figure 7b. Le signal à deux états D est ici reçu sur l'entrée dlune bascule monostable 40 commandée par un front descendant. Les impulsions délivrées par cette bascule 40 représentent donc les transitions du signal modulé SM. Ces impulsions viennent commander l'ouverture d'un interrupteur 42 qui reçoit sur son entrée un signal en dents de scie ns délivré par la base de temps 44. Le signal V4 délivré par l'interrupteur 42 est mémorisé dans un condensateur 32. Il reste constant entre deux impulsions du signal DI. Ce signal V4 est échantillonné par l'intermédiaire d'un interrupteur 46 qui se ferme sur commande d'une impulsion d'un signal CI1 délivré par la base de temps 44.Ce signal d'impulsion est synchronisé avec le signal d'horloge
H.We will explain the operation of the circuit of Figure 7a by referring to the timing diagram of Figure 7b. The two-state signal D is here received on the input of a monostable flip-flop 40 controlled by a falling edge. The pulses delivered by this flip-flop 40 therefore represent the transitions of the modulated signal SM. These pulses command the opening of a switch 42 which receives on its input a sawtooth signal ns delivered by the time base 44. The signal V4 delivered by the switch 42 is stored in a capacitor 32. It remains constant between two pulses of the DI signal. This signal V4 is sampled by means of a switch 46 which closes on command of a pulse of a signal CI1 delivered by the time base 44. This pulse signal is synchronized with the clock signal
H.
Le signal SI délivré par l'interrupteur 46 est identique à celui délivré par le démodulateur de la figure 6a. Il est ensuite traité de la meAme manière par un filtre passe-bas 22 pour restaurer le signal analogique S. The signal SI delivered by the switch 46 is identical to that delivered by the demodulator of FIG. 6a. It is then processed in the same way by a low-pass filter 22 to restore the analog signal S.
Un signal modulé n'est en général pas transmis seul sur une voie de transmission. Une voie de transmission peut en effet transmettre simultanément plusieurs signaux. Les qualités propres du procédé de modulation de l'invention, notamment l'échantillonnage régulier et la faible largeur de bande nécessaire pour chaque signal permettent de remplacer le multiplexage fréquentiel couramment utilisés pour les signaux analogiques et dont les inconvénients sont très nombreux (mauvais rapport porteuse à bruit, décodeur complexe,...) par un multiplexage temporel. A modulated signal is generally not transmitted alone on a transmission channel. A transmission channel can in fact transmit several signals simultaneously. The inherent qualities of the modulation method of the invention, in particular the regular sampling and the low bandwidth required for each signal make it possible to replace the frequency multiplexing commonly used for analog signals and the drawbacks of which are very numerous (poor carrier ratio noise, complex decoder, ...) by time multiplexing.
On a représenté sur la figure 8 une trame pour la transmission simultanée de signaux numériques, par exemple un signal sonore en haute fidélité, et un signal analogique par exemple un signal de télévision, modulé selon le principe de 11 Invention. FIG. 8 shows a frame for the simultaneous transmission of digital signals, for example a high fidelity sound signal, and an analog signal for example a television signal, modulated according to the principle of the invention.
Cette trame comprend à titre d'exemple huit cellules, chacune de longueur T. La trame représentée comprend un mot de synchronisation MS contenu dans une cellule. Ce mot de synchronisation peut être constitué par exemple par une transition montante centrée dans la cellule. This frame comprises, for example, eight cells, each of length T. The frame shown comprises a synchronization word MS contained in a cell. This synchronization word can be constituted for example by an upward transition centered in the cell.
La trame comprend ensuite une séquence d'éléments binaires d'un signal numérique SM. Sur la trame représentée, cette séquence est limitée à un seul élément binaire. La valeur de cet élément binaire est indiquée par la position de la transition dans la cellule correspondante. Selon un procédé de codage classique, une transition en début de la cellule représente un zéro logique et une transition en milieu de cellule un 1 logique. D'autres procédés de codage de cet élément binaire peuvent bien entendu astre utilisés. The frame then comprises a sequence of binary elements of a digital signal SM. On the frame shown, this sequence is limited to a single bit. The value of this bit is indicated by the position of the transition in the corresponding cell. According to a conventional coding method, a transition at the beginning of the cell represents a logical zero and a transition in the middle of the cell represents a logical 1. Other methods of coding this binary element can of course be used.
La trame comprend enfin une séquence d'échantillons d'un signal analogique, échantillonné à la fréquence - selon se
à la fréquence 1 selon le procédé de modulation syn- chrone de l'invention. La trame représentée comporte six cellules SA1, SA2, ..., SA6 permettant de représenter six échantillons de ce signal analogique. Selon l'invention, la position d'une transition dans une cellule est fonction de l'amplitude de l'échantillon correspondant.The frame finally includes a sequence of samples of an analog signal, sampled at the frequency - depending on
at frequency 1 according to the synchronous modulation method of the invention. The frame represented comprises six cells SA1, SA2, ..., SA6 making it possible to represent six samples of this analog signal. According to the invention, the position of a transition in a cell is a function of the amplitude of the corresponding sample.
Le principe du multiplexage temporel de signaux numériques est connu. On sait qu'il est nécessaire de prévoir des tampons pour augmenter le débit des éléments binaires des signaux composants au multiplexage et pour réduire ce débit au démultiplexage. The principle of time multiplexing of digital signals is known. We know that it is necessary to provide buffers to increase the bit rate of the binary elements of the component signals at multiplexing and to reduce this bit rate at demultiplexing.
Pour les signaux numériques, ces tampons sont réalisés classiquement par des registres à décalage. For digital signals, these buffers are conventionally produced by shift registers.
Pour les signaux analogiques modulés suivant le procédé de l'invention, l'intervalle entre le début de la cellule et la transition apparaissant dans cette cellule est quelconque. I1 est donc nécessaire d'utiliser des tampons aptes à mémoriser une information analogique. Ceci peut être réalisé au moyen de condensateurs. Ce peut être également réalisé, dans le cas où un tampon de longueur importante est nécessaire, par des dispositifs à transfert de charges. For analog signals modulated according to the method of the invention, the interval between the start of the cell and the transition appearing in this cell is arbitrary. It is therefore necessary to use buffers capable of memorizing analog information. This can be achieved by means of capacitors. This can also be achieved, in the case where a buffer of considerable length is required, by charge transfer devices.
Le démultiplexage d'une telle trame ne pose pas de problème particulier. I1 suffit d'une part de récupérer l'horloge de trame en se synchronisant sur le mot de synchronisation MS et d'autre part d'engendrer des signaux d'horloge synchronisés sur chaque cellule. Ces horloges peuvent être dérivées de manière connue de l'horloge de trame. The demultiplexing of such a frame does not pose any particular problem. It is sufficient on the one hand to recover the frame clock by synchronizing on the synchronization word MS and on the other hand to generate clock signals synchronized on each cell. These clocks can be derived in a known manner from the frame clock.
La trame de la figure 8 étant constituée d'un nombre constant de 8 transitions, on peut obtenir une horloge HT2 de demi-fréquence trame en divisant le signal multiplexé par 8. Afin de délivrer un signal d'horloge ST2 ayant une phase correcte, il faut se synchroniser sur la transition de la première cellule
MS de la trame. Cette transition a la particularité d'être un front montant et de ne pas être modulée en position.The frame of FIG. 8 being made up of a constant number of 8 transitions, we can obtain an HT2 clock with half frame frequency by dividing the multiplexed signal by 8. In order to deliver a clock signal ST2 having a correct phase, you have to synchronize with the transition of the first cell
MS of the frame. This transition has the distinction of being a rising edge and not being modulated in position.
Un dessin schématique d'un circuit de récupération de l'horloge de trame est représenté sur la figure 9a. Le signal multiplexé SMT est appliqué, après passage dans une porte logique 48, sur l'entrée d'un diviseur par 8 référencé 50 activé par les fronts montants du signal SMT La porte logique 48 est commandée par un détecteur de modulation 52. A schematic drawing of a frame clock recovery circuit is shown in Figure 9a. The multiplexed SMT signal is applied, after passing through a logic gate 48, to the input of a divider by 8 referenced 50 activated by the rising edges of the SMT signal. The logic gate 48 is controlled by a modulation detector 52.
Le diviseur de fréquence 50 sensible aux fronts montants permet de limiter le front du signal d'horloge aux cellules MS, SAl, SA3 et SAS de la figure 8. Le détecteur de modulation permet d'éliminer les transitions modulées en position des cellules SAl, SA3 et SA5. The frequency divider 50 sensitive to rising edges makes it possible to limit the edge of the clock signal to the cells MS, SAl, SA3 and SAS of FIG. 8. The modulation detector makes it possible to eliminate the transitions modulated in position of the cells SAl, SA3 and SA5.
Le signal d'horloge HT2 délivré par le circuit de la figure 9a permet d'engendrer l'horloge de trame par simple doublement de fréquence. The clock signal HT2 delivered by the circuit of FIG. 9a makes it possible to generate the frame clock by simple doubling of frequency.
Le dessin de la figure 9b représente un-circuit de récupération de l'horloge de trame H. Il comprend les memes éléments que le circuit de la figure 9a avec en outre, un comparateur de phase 54 entre le diviseur 50 et le détecteur de modulation 54 et une boucle à verrouillage de phase comportant un diviseur de fréquence 56, un filtre de boucle 58 et un oscillateur commandé en tension 60. Ce montage à boucle à verrouillage de phase permet de diminuer le bruit affectant la phase du mot de synchronisation de trame. The drawing in FIG. 9b represents a circuit for recovering the frame clock H. It includes the same elements as the circuit in FIG. 9a with, in addition, a phase comparator 54 between the divider 50 and the modulation detector 54 and a phase locked loop comprising a frequency divider 56, a loop filter 58 and a voltage controlled oscillator 60. This phase locked loop assembly makes it possible to reduce the noise affecting the phase of the frame synchronization word .
Claims (12)
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| FR8400413A FR2558316B1 (en) | 1984-01-12 | 1984-01-12 | METHOD FOR SYNCHRONOUSLY MODULATING AN ANALOGUE SIGNAL, MODULATOR AND DEMODULATOR FOR TRANSMITTING A SIGNAL FOLLOWING THIS METHOD AND METHOD FOR TRANSMITTING DIGITAL AND ANALOGUE FRAMED FRAME SIGNALS |
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