FR2811768A1 - Procede et appareil de modulation de frequence - Google Patents

Abstract

L'invention concerne un proc ed e et un appareil de modulation en fr equence d'un signal de porteuse continue. Un oscillateur command e par tension (36) est command e par deux boucles de commande pour maintenir la fr equence porteuse à une valeur d etermin ee par un oscillateur command e par cristal (46) et pour maintenir l'excursion de crête de modulation de fr equence à une valeur d etermin ee. L'invention s'applique notamment à la mesure des distances par un radar à onde entretenue.

Description

La présente invention se rapporte d'une façon générale à un appareil radar

à onde entretenue, capable

de déterminer une distance, et concerne plus particulièrement un circuit de commande exacte de la forme d'onde de mesure 5 de distance modulée en fréquence nécessaire dans un tel appareil.

Comme cela est connu, une caractéristique d'un appareil radar à onde entretenue est la possibilité de mesurer sans ambiguité la vitesse de cibles en mouvement même si des signaux parasites sont également présents. Mais un radar à onde entretenue, ne permet pas de mesurer des distances, à moins que des dispositions soient prises pour moduler le signal émis. Une technique de modulation connue pour permettre à un radar à onde entretenue de15 mesurer des distances consiste à moduler en fréquence le signal de porteuse entretenue émis. Dans des appareils connus mettant en oeuvre cette technique, l'excursion du signal émis en modulation de fréquence est comparée avec celle d'un standard de modulation dont l'excursion est connue avec précision. L'erreur résultante est ensuite utilisée pour produire un signal de correction, modifiant

l'excursion du signal émis en modulation de fréquence pour annuler cette erreur. Bien entendu, la précision d'une telle disposition est liée directement à la précision du25 standard de modulation de fréquence. Mais il est malheureu-

sement difficile de maintenir la précision voulue des standards connus de modulation de fréquence, notamment quand un tel standard doit être utilisé dans des conditions

difficiles comme celles que l'on rencontre sur le terrain.

Compte tenu de ceci, un but de l'invention est donc de proposer un appareil radar à onde entretenue comportant un circuit qui produit une forme d'onde connue

modulée en fréquence dans des conditions difficiles.

Ce but, ainsi que d'autres, sont atteints en équipant, dans un radar à onde entretenue, un oscillateur 2-g 2811768 commandé par tension qui produit un signal modulé en fréquence comprenant un signal de porteuse entretenue et un signal de modulation avec une excursion de fréquence de crête fixe. Au moyen d'une boucle à verrouillage de phase, la fréquence du signal de porteuse est verrouillée sur la fréquence d'un oscillateur commandé par cristal, et, au moyen d'une boucle à gain commandé fonctionnant en synchronisme avec la boucle à verrouillage de phase, la fréquence d'excursion de crête du signal de modulation contrôle le niveau du signal provenant d'un oscillateur sinusoidal de manière que l'excursion de crête corresponde

à l'excursion du premier zéro de Bessel.

D'autres caractéristiques et avantages de

l'invention apparaîtront au cours de la description qui

va suivre.

Aux dessins annexés, donnés uniquement à titre d'exemple nullement limitatif: La figure 1 est un schéma simplifié d'un appareil radar à onde entretenue utilisant une modulation de fréquence pour obtenir des informations de distance de cible et

La figure 2 est un schéma simplifié de l'unité de commande d'excursion de l'émetteur de la figure 1.

La figure 1 représente donc un appareil radar 10 à onde entretenue mettant en oeuvre des techniques de modulation de fréquence pour obtenir des informations de distance de cible. L'appareil radar 10 comporte un émetteur 12 en modulation de fréquence connecté directement à une antenne d'émission 14. Une première partie du signal de sortie de l'émetteur 12 est couplée par un coupleur directionnel 13, avec un générateur 15 à bande latérale unique de type courant qui produit un signal d'oscillateur local pour un mélangeur 16. La seconde entrée de ce mélangeur est reliée directement à une antenne de réception35 18 afin que des signaux en retour de cible, (non représentés)

soient convertis en des signaux d'une fréquence intermé-

diaire qui convient pour être traités dans un récepteur de fréquence intermédiaire 20. Les signaux de sortie du récepteur 20 sont appliqués à un circuit de traitement5 de signaux 22 dans lequel, entre autres choses, l'excursion instantanée de chaque signal en modulation de fréquence reçu est comparéeavec l'excursion du signal émis pour déduire des informations de distance de chaque signal modulé en fréquence reçu. Les signaux de sortie du circuit de traitement 22 sont appliqués à un dispositif d'utilisation 24 qui peut être par exemple une unité de visualisation. L'émetteur en modulation de fréquence 12 et le circuit de traitement de signaux 22 sont commandés par un calculateur de commande 26 qui, entre autres choses, conserve des fichiers de cibles et des changements de programmes de la fréquence de l'émetteur 12. Une seconde partie du signal de sortie de l'émetteur 12 est couplée avec une unité 28 de commande d'excursion de commande d'émetteur par un coupleur directionnel 13a. L'unité20 28 de commande d'excursion d'émetteur sera décrite en détail par la suite. Il suffit pour le moment de noter que cette unité produit une forme d'onde modulée en fréquence avec une excursion précise qui est comparée avec la sortie de l'émetteur 12 afin de commander finalement

l'excursion du signal émis. -

La figure 2 montre que l'unité 28 de commande d'excursion d'émetteur comporte trois sous-ensembles principaux: un générateur 30 de standard de mesure de distance; un module 32 de commande automatique de

fréquence; et un détecteur 34 d'erreur de distance.

Avant de passer à la description détaillée du

générateur 30 de standard de distance, il faut noter qu'il consiste essentiellement en une boucle d'annulation de Bessel et en une boucle à verrouillage de phase, qui ne sont référencées ni l'une ni l'autre. La conception de la boucle d'annulation de Bessel repose sur le fait que la composante porteuse ou Jo0 d'un spectre de modulation de fréquence avec une excursion sinusoidale s'annule pour des rapports d'excursion spécifiques. Autrement dit, Jo () = 0 si = f 2,405 4,520, 8,654.. (1) f m o : ( est le rapport d'excursion, \f est l'excursion

de fréquence de crête et f est la fréquence de modulation.

m Dans la boucle d'annulation de Bessel, l'excursion d'un oscillateur commandé par tension (oscillateur 36) est com- mandée par un signal sinusoïdal de fréquence fm provenant d'un oscillateur 64. La porteuse de sortie de la compo- sante Jo du signal provenant de l'oscillateur commandé est détectée en synchronisme (avec le signal de sortie15 d'un oscillateur 46 commandé par cristal, servant de référence). Le signal détecté contient alors un terme continu bipolaire qui peut être utilisé pour contrôler

le niveau du signal de modulation de l'oscillateur com-

mandé jusqu'à ce que la composante Jo0 de la sortie de

cet oscillateur soit amenée à zéro. La boucle à verrouil-

lage de phase est prévue pour verrouiller la fréquence du signal de référence provenant de l'oscillateur commandé par cristal et la fréquence de la porteuse dans le signal modulé en fréquence provenant de l'oscillateur commandé et pour contrôler la relation de phase entre le signal

de référence et la porteuse.

Le générateur 30 de standard de mesure de distance comporte un oscillateur commandé par tension 36 produisant un signal modulé en fréquence, amplifié par un amplificateur tampon 38. Le signal modulé en fréquence provenant de cet amplificateur est séparé, sa première partie étant appliquée par un diviseur de fréquence 40 (dans le cas présent un circuif logique TTL) à un détecteur de phase 42. Une seconde partie du signal modulé en fréquence provenant de l'amplificateur tampon 38 est appliqué au module 32 de commande automatique de fréquence pour des raisons qui seront expliquées en détail ci-après. Le diviseur de fréquence 40 a pour fonction de régler l'excursion de fréquence de crête bf du signal modulé en fréquence appliqué au détecteur de phase 42 à un multiple entier de l'excursion du premier zéro de Bessel quand Jo () = 0. Le signal modulé en fréquence provenant du diviseur de fréquence 40 est séparé, une première partie de ce signal étant appliquée à un détecteur de phase 42 et une seconde partie à un diviseur de fréquence 44. Le signal de référence du détecteur de phase 42 provient, par l'intermédiaire d'un déphaseur 33 de 90 , d'un oscillateur 46 commandé par cristal. (Le déphaseur 43 à 90 assure que le détecteur de phase 42 fonctionne comme un détecteur d'amplitude sensible à la phase). Le signal de sortie de l'oscillateur de référence 46 commandé par cristal est également appliqué

à un diviseur de fréquence 48.

Il y a lieu de noter que si une boucle d'annula-

tion de Bessel seule était utilisée, les signaux d'un oscillateur de référence (dans le cas présent l'oscillateur à cristal 46) et le signal modulé en fréquence provenant de l'oscillateur commandé 36 seraient simplement détectés en phase. Ainsi, si le signal de référence était représenté par fo et le signal provenant de l'o.cillateur commandé 36 par (fo + f cos (fmt)), le résultat de la détection de phase serait représenté par un terme continu et des composantes spectrales à des multiples de la fréquence de modulation fm. Ce spectre serait similaire à celui d'une porteuse supprimée avec des bandes latérales

décalées symétriquement de fm autour de la porteuse.

Par conséquent, comme cela a été indiqué ci-dessus, une boucle à verrouillage de phase doit être prévue pour assurer que la fréquence porteuse du signal modulé en fréquence provenant de l'oscillateur commandé 36 et

la fréquence du signal de référence provenant de l'oscil-

lateur 46 commandé par cristal soient synchrones et également pour contrôler la relation de phase entre ce signal de référence et la composante Jo0 du signal modulé en fréquence provenant de l'oscillateur commandé 36. La boucle d'annulation de Bessel, lorsqu'elle est forcée

à zéro, annule donc le terme Jo et non le terme J1 ou un terme supérieur.

Les diviseurs de fréquence 44, 48, qui sont ici des compteurs numériques identiques, réduisent les fréquences du signal de référence f et du signal modulé o en fréquence provenant du diviseur de fréquence 40. Le diviseur de fréquence 44 tend donc à réduire les bandes latérales de modulation de ce signal modulé en fréquence, en assurant ainsi une compatibilité avec le signal à la seconde entrée du détecteur de phase 50 dans la boucle à verrouillage de phase (non référencée). De cette manière, la porteuse provenant de l'oscillateur commandé 36 est effectivement verrouillée sur la fréquence de référence f0 de l'oscillateur 46 commandé par cristal et la composante Jo de la boucle d'annulation de Bessel est

convertie en synchronisme en une composante continue.

Le signal de sortie du diviseur de fréquence 44 est appliqué directement au détecteur de phase 50 tandis que le signal de référence du diviseur de fréquence 38 est appliqué au détecteur de phase 50 par un modulateur de phase (non référencé) consistant en un multiplicateur 52 à 4 quadrants, en un déphaseur 54 à 90 et en un amplificateur de sommation 56. Il faut noter que ce modulateur est un "modulateur de phase d'Armstrong" qui est un circuit efficace pour une modulation linéaire de phase d'un signal lorsque le rapport d'excursion de cette modulation est limité. Le signal de sortie du détecteur de phase 50 est ramené à l'oscillateur commandé 36 par l'intermédiaire d'un amplificateur 51. La boucle i'=/ 2811768 à verrouillage à phase (non référencée) a pour effet de forcer la modulation de fréquence de la porteuse du signal de l'oscillateur commande 36 (après division de fréquence) pour qu'elle soit exactement la même que celle du signal de référence modulé, en phase provenant du modulateur de phase Armstrong (non référencé). L'amplitude de la modulation de phase A ó qui doit être appliquée au signal de référence fourni au détecteur de phase 50 peut être exprimée par: L) = (/N radians.. . (2) o ( = 2,405 pour le premier zéro de Bessel. Si, comme dans le cas présent N=16 en raison des diviseurs de fréquence 44, 48, A est 8,61 (une modulation de phase qui est bien dans les possibilités d'un modulateur de

phase d'Armstrong). Ainsi, le signal de sortie du divi-

seur de fréquence 48 (un signal sinusoidal entretenu) est modulé par des bandes latérales produites dans un modulateur équilibré (multiplicateur 52 à 4 quadrants) et le signal résultant est déphasé de 90 pour produire un signal modulé en phase. Le signal de sortie de l'amplificateur de sommnation 56 est donc un signal modulé en fréquence avec un indice de modulation qui dépend de l'amplitude relative des signaux provenant du diviseur de fréquence 48 et du déphaseur 54. Le multiplicateur 52 à 4 quadrants est utilisé comme modulateur équilibré car il produit un signal de sortie directement proportionnel

aux deux signaux d'entrée.

Le détecteur de phase 42 fonctionne comme un détecteur de zéro de Bessel. Autrement dit, le détecteur de phase 42 fonctionne comme un détecteur d'amplitude sensible à la phase qui produit un signal continu bipolaire proportionnel aux termes de Bessel J0 (<) du signal provenant du diviseur de fréquence 40. Le fonctionnement de la boucle d'annulation de Bessel (non référencée) est tel dans le cas présent que le terme Jo (0) est annulé au premier zéro de Bessel (qui apparaît à un indice de

modulation de 2,405). La boucle d'annulation de Bessel est formée en supposant que dans le voisinage du zéro, le terme J0 (() peut être représenté approximativement 5 par une droite.

Le signal continu bipolaire provenant du détecteur de phase 42 est appliqué à un amplificateur

par l'intermédiaire d'un réseau 58 de filtre passe-bas.

Ce réseau et l'amplificateur déterminent le gain et la constante de temps de la boucle d'annulation de Bessel. Le gain de la boucle et la constante de temps sont choisis pour la profondeur voulue d'annulation et de réjection des termes de Bessel d'ordres supérieurs (qui consistent en la fréquence de modulation et ses harmoniques). Le signal15 de sortie de l'amplificateur 60 est appliqué à un multi- plicateur 62 à 4 quadrants. La seconde entrée de ce

multiplicateur reçoit le signal de fréquence de modulation f provenant d'un oscillateur 64 par l'intermédiaire d'un déphaseur 66 à 90 . Le signal de sortie du déphaseur 6620 à 90 est également appliqué à un amplificateur de-

sommation 68. Le second signal d'entrée de cet ampli-

ficateur provient directement du multiplicateur 62 à

4 quadrants. Le déphaseur 66 à 90 assure que la modula-

tion du modulateur de Armstrong est en fait une modula-

tion de fréquence. Autrement dit, en l'absence de cor-

rection, le multiplicateur 62 à 4 quadrants fonctionnerait comme un modulateur de phase. Mais étant donné que la fréquence est la dérivée ou la vitesse de variation en fonction du temps de la phase et que l'effet du déphaseur à 90 sur une forme d'onde sinusoïdale consiste à créer une forme d'onde cosinusoidale (dérivée de la fonction sinus), l'effet du déphaseur à 90 consiste à assurer que la modulation de fréquence est appliquée au signal provenant du modulateur de Armstrong.35 Comme cela a été indiqué ci-dessus, une partie ? du signal de sortie de l'amplificateur tampon 38 est

transmise au module 32 de commande automatique de fréquence.

Dans ce dernier, ce signal sert de signal de référence pour une boucle de commande automatique de fréquence qui est utilisée pour contrôler l'excursion de fréquence

de l'émetteur 12 à modulation de fréquence (figure 1).

Ainsi, la partie du signal de sortie de l'émetteur couplée avec l'unité 28 de commande d'excursion d'émetteur est appliquée d'abord à un atténuateur 70 dans le module 32 de commande automatique de fréquence. L'atténuateur est prévu pour commander le niveau du signal provenant de l'émetteur 12 à modulation de fréquence (figure 1) vers un mélangeur 72. Dans ce mélangeur, le signal de sortie couplé de l'émétteur 12 à modulation de fréquence (figure 1) est converti en un signal à une première fréquence intermédiaire par effet hétérodyne avec le signal de sortie d'un oscillateur GUNN 74. Le signal de fréquence intermédiaire provenant du mélangeur 72 est filtré dans un filtre passe-bande 76 et fourni comme premier signal d'entrée à un mélangeur 78. Le second signal d'entrée de ce mélangeur est le signal provenant de l'amplificateur tampon 38 dans le générateur 30 de standard de distance. Le mélangeur 78 convertit le signal de fréquence intermédiaire provenant de l'émetteur 12 de la figure 1 en une seconde fréquence intermédiaire qui est transmise à un filtre passe-bande 80 destiné à éliminer les signaux de sortie indésirables du mélangeur 78. Les signaux de sortie du filtre passe-bande 80 sont limités dans un limiteur 82 avant d'être appliques à un amplificateur 84. L'amplificateur 84 sert d'attaque pour un discriminateur de fréquence 86 qui développe un signal de contrôle d'erreur de fréquence en courant continu représentant la différence entre la fréquence

du signal d'entrée et la fréquence centrale du discrimi-

nateur de fréquence 90, et un signal alternatif dont -.0 l'amplitude et la phase représentent l'erreur d'excursion dans l'émetteur 12 à modulation de fréquence (figure 1). Le signal de sortie d'erreur de fréquence du discriminateur de fréquence 97 amplifié dans l'amplificateur tampon 88, 5 dont le signal de sortie est séparé, une première partie étant appliquée par un filtre éliminateur de bande 90 à un amplificateur de sommation 92. Le second signal d'entrée de l'amplificateur de sommation 92 est un signal

de commande de fréquence développé dans un circuit10 logique (non représenté). Le signal de sortie de l'ampli-

ficateur de sommation 92 est utilisé comme un signal de commande de l'oscillateur GUNN 74 afin de commander la fréquence de sortie de ce dispositif et pour fermer

ainsi la boucle de commande automatique de fréquence.

Une seconde partie du signal de sortie de l'am- plificateur tampon 88 est appliquée au détecteur 34 d'erreur de distance. Dans ce détecteur, le signal d'erreur de fréquence est d'abord filtré dans un filtre passebande 94, puis séparé, une première partie étant20 appliquée directement à un commutateur 96 monopolaire, à deux directions et une seconde partie étant appliquée à ce dernier par un inverseur 98. Le commutateur 96 monopolaire à deux directions est commandé par le signal de sortie d'un comparateur 100 dont une entrée reçoit le signal de fréquence de modulation fm provenant de l'oscillateur 64 dans le générateur 30 de standard de distance. Le second signal d'entrée du comparateur 100

est une faible tension de polarisation VREF. Le compara-

teur 100 convertit le signal sinusoidal de l'oscillateur 64 en un signal de sortie rectangulaire. Il faut remarquer que le commutateur 96 monopolaire à deux directions, l'inverseur 98 et le comparateur 100 forment un détecteur d'amplitude sensible à la phase produisant un signal de sortie continu, filtré par le circuit de moyenne 102 pour réduire les bruits et qui est ensuite utilisé dans le multiplicateur 106 pour reconstituer le signal de modulation f dont l'amplitude et la phase (0 ou 180 ) m

sont maintenant une mesure de l'erreur d'excursion.

Le signal alternatif qui est produit est transmis à l'émetteur en modulation de fréquence 12 de la figure 1 par l'intermédiaire d'un amplificateur tampon 108. Dans

l'emetteur le signal d'erreur de distance est utilisé pour commander la modulation de fréquence de la porteuse. Après la description de ce mode de réalisation,

il apparaît que de nombreuses modifications peuvent y

être apportées sans sortir du cadre de l'invention.

Par exemple, si l'oscillateur 36 commandé partension est linéaire et si l'appareil fonctionne avec une faible fréquence de modulation alors que la largeur de bande de la boucle à verrouillage de phase est augmentée de manière que le signal de modulation soit au-dessous de la fréquence de coupure de cette boucle, le modulateur de phase de Armstrong (nonréférencé) sur la ligne de référence vers le détecteur 50 de la boucle à verrouillage de phase

peut être supprimé.

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Claims (4)

REVENDICATIONS

1. Générateur de standard de mesure de distance destiné à produire une forme d'onde modulée en fréquence avec une excursion de fréquence précise, générateur caractérisé en ce qu'il comporte un oscillateur commandé5 par tension (36), un diviseur de fréquence (40) par M destiné à diviser le signal de sortie de l'oscillateur commandé par tension, un oscillateur de référence commandé par cristal (46), deux diviseurs de fréquence (44,48) diviseurs par N, destinés à diviser les signaux de sortie10 du diviseur de fréquence diviseur par M et de l'oscillateur de référencecommandé par cristal, un oscillateur (64) accordé sur la fréquence de modulation, un dispositif réagissant aux signaux de sortie de l'oscillateur accordé sur la fréquence de modulation et de la paire de circuits15 diviseurs de fréquence par N, pour moduler en fréquence l'oscillateur commandé par tension, et un dispositif (42) réagissant au signal de sortie non divisé de l'oscillateur de référence commandé par cristal et au signal de sortie du diviseur de fréquence par M en commandant l'excursion du signal de sortie modulé en fréquence de l'oscillateur

commandé par tension.

2. Générateur selon la revendication 1, carac-

térisé en ce que le dispositif de modulation en fréquence l'oscillateur commandé par tension consiste en une

boucle à verrouillage de phase (34) comprenant un modula-

teur de phase de Armstrong destiné à combiner le signal de sortie divisé par N de l'oscillateur de référence

commandé par cristal et le signal de sortie de l'oscil-

lateur accordé sur la fréquence de modulation.

3. Générateur selon la revendication 2, carac-

térisé en ce que le dispositif qui commande l'excursion du signal de sortie modulé en fréquence de l'oscillateur commandé par tension consiste en une boucle d'annulation de Bessel comprenant un détecteur d'amplitude (50) sensible à la phase qui produit un signal continu bipolaire

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pour commander le niveau du signal de modulation vers l'oscillateur commandé par tension.

4. Procédé de modulation de fréquence d'un oscillateur commandé par tension dans un appareil radar à onde entretenue avec une fréquence porteuse modulée pour permettre de mesurer la distance de cibles individuelles, en attaquant un signal de sortie comprenant une porteuse à une fréquence fixe avec une modulation de fréquence ayant une excursion maximale fixe, procédé caractérisé en ce qu'il consiste essentiellement à appliquer (50) un signal de commande à l'oscillateur commandé par tension (34) pour commander la fréquence instantanée du signal de sortie de l'oscillateur, ce signal de sortie contenant une partie porteuse et une partie de modulation, le signal15 de commande contenant une composante continue pour déterminer la fréquence de la partie porteuse et une composante sinusoidale pour déterminer l'excursion de la partie de modulation, à détecter la phase (42) d'une première partie du signal de sortie pour déterminer la20 différence entre la partie de porteuse et un signal de sortie d'un oscillateur commandé par cristal (46) afin de produire un signal continu indiquant cette différence, à atténuer un signal sinusoïdal provenant d'un oscillateur en fonction du signal continu, à combiner (34) le signal de sortie de l'oscillateur commandé par cristal et le signal sinusoidal atténué pour produire un signal de référence et à détecter la phase (42) d'une seconde partie du signal de sortie d'oscillateur commandé par tension et du signal de référence pour produire le signal de

commande de l'oscillateur.