FR2904912A1 - Systeme d'amelioration du bruit de phase d'un oscillateur local - Google Patents

Abstract

L'invention propose une solution intégrable pour un oscillateur local de transposition de fréquence dont les performances en termes de stabilité de fréquences sont augmentées. Le principe consiste à connecter en parallèle N voies, formées chacune principalement par une boucle à verrouillage de phase et à sommer les signaux issus de ces voies, les composantes de bruit asynchrones s'additionnent en puissance et le bruit de phase du système, qui traduit la stabilité en fréquence, est ainsi diminué.

Description

L'invention concerne un système pour l'amélioration du bruit de phase d'un

oscillateur local et plus particulièrement d'un oscillateur local utilisé dans un terminal de télécommunication. L'invention, présentée ici, s'inscrit plus particulièrement dans le cadre du développement de terminaux de communication pour lesquels on veut optimiser l'efficacité spectrale. L'efficacité spectrale d'une modulation se caractérise par sa capacité à transmettre un débit maximum dans une largeur de canal minimale. Une des contributions majeures qui limite aujourd'hui cette efficacité 10 spectrale est la stabilité de fréquence des signaux générés et traités par le terminal. En effet, les interfaces (Front End en anglais) implémentés dans les terminaux actuels mettent très souvent en oeuvre une conversion directe des 15 signaux de la bande de base vers la bande RF (Radio fréquence) en émission et réciproquement de la bande RF vers la bande de base en réception. Cette technique présente l'avantage de simplifier sensiblement la partie radio du terminal du fait qu'une seule transposition de fréquence est nécessaire. Un seul oscillateur local de transposition de fréquence est alors 20 mis en oeuvre. Il faut donc chercher à augmenter les performances en termes de stabilité de fréquence de cet oscillateur. Une solution communément mise en oeuvre dans les systèmes de transmission performants consiste à utiliser un synthétiseur de fréquence 25 complexe. Ce synthétiseur à simple boucle ou à multiple boucles fonctionne avec un ou plusieurs oscillateurs locaux discrets caractérisés par un très bon bruit de phase. Mais la mise en oeuvre de cette solution avec des composants discrets e st encombrante et onéreuse et reste incompatible avec des de terminaux intégrés portables de large diffusion. 30 2904912 2 Dans le cas des terminaux intégrés compact actuels, les performances en terme de stabilité de fréquence des synthétiseurs sont limitées par le faible coefficient de qualité de l'élément résonant constituant l'oscillateur intégré. 5 Ces deux solutions ne sont donc pas satisfaisantes. En effet, pour l'une on utilise un oscillateur discret performant mais non intégrable, pour l'autre l'oscillateur intégré est non performant. L'invention vise à remédier à ces inconvénients. Elle propose un système d'amélioration du bruit de phase d'un oscillateur local comprenant des moyens de stabilisation de l'oscillateur local formé par une première boucle à verrouillage de phase et asservie à un signal de référence. Les moyens de stabilisation comportent de plus N autres boucles à verrouillage de phase connectées en parallèle et asservies au signal de référence et un sommateur pour sommer les signaux issus des N boucles à verrouillage de phase et émettre un signal sommer en amplitude et dont la composante bruit, sommée en puissance, est réduite. Selon une variante de l'invention, les moyens de stabilisation comportent de plus N déphaseurs, chaque déphaseur étant associé à une boucle à verrouillage de phase, un élément de couplage associé à un détecteur de puissance pour émettre un signal correspondant à la puissance du signal reçu et un élément de commande pour appliquer une commande séquentielle de déphasage à chaque déphaseur en fonction du signal de puissance du signal reçu.

Préférentiellement, le système est intégrable. Cette solution intégrable présente de bonnes performances en terme de bruit de phase. Ce système permet d'améliorer les performances en terme de stabilité de fréquence de cet oscillateur. Les caractéristiques et avantages de l'invention mentionnée ci-dessus, ainsi que d'autres, apparaîtront plus clairement à la lecture de la description 2904912 3 suivante, faite en relation avec les dessins joints, dans lesquels : - la figure 1 représente le schéma synoptique d'une boucle à verrouillage de phase ; - la figure 2 est un diagramme représentant un exemple de 5 performances des systèmes à boucles à verrouillage de phase de l'état de la technique et d'une spécification donnée ; - la figure 3 est un synoptique du concept proposé ; et - la figure 4 est un diagramme représentant les performances du système à multiples boucles à verrouillage de phase selon l'invention.

10 La figure 1 représente le schéma synoptique d'une boucle à verrouillage de phase PLL (Phase Locked Loop) selon l'état de la technique. La boucle à verrouillage de phase PLL se compose de 4 éléments principaux : l'oscillateur contrôlé en tension VCO 3, le comparateur de phase 15 1, le filtre de boucle 2 et le diviseur 4. Le signal d'entrée est un signal de référence SR dont la phase cp; et la fréquence fR ne sont pas entièrement stables et varient temporellement. Il peut par exemple être issu d'un oscillateur de référence 5 tel un oscillateur à quartz. Le signal de sortie S a une phase cpo et une fréquence fs.

20 Le comparateur de phase 1 effectue la différence entre les phases cp; et cpo de ces signaux d'entrée et de sortie et délivre un signal VD proportionnel à cette différence de phase. Le filtre de boucle 2 va filtrer le signal VD issu du comparateur de phase en un signal Vc de commande de l'oscillateur contrôlé en tension appelé VCO 25 (de l'anglais Voltage Control Oscillator) dans la suite du texte. Le VCO va délivrer en fonction de la tension Vc du signal d'entrée un signal de sortie S à la fréquence f vco= fs et de phase cpo. Le diviseur 4 permet de diviser par K la fréquence du signal de sortie pour permettre une synchronisation fine du signal de sortie à la fréquence fs avec 30 le signal d'entrée. La fréquence du signal de sortie est égale à K fois la fréquence du signal de référence : fs =K fR.

2904912 4 A titre d'exemple, le signal d'entrée a une fréquence fs = 10MHz et la fréquence du VCO est de fvco = 1GHz. Le signal de sortie S est affecté d'un bruit dont on peut distinguer 4 5 contributions majeures qui sont : - le bruit sur le signal de référence de fréquence fR; - le bruit du au comparateur de phase ; -lebruitduauVCO; - le bruit thermique.

10 Les performances du système sont donc dépendantes de la somme des caractéristiques de bruit de ces éléments. La figure 2 est un diagramme représentant un exemple de performances des systèmes à boucles à verrouillage de phase de l'état de la technique et d'une 15 spécification donnée. Ce diagramme représente donc la densité du bruit de phase due à une boucle à verrouillage de phase PLL en fonction de l'offset de fréquence constaté au niveau de la fréquence du signal de sortie fs. La trace 1 traduit les performances d'une boucle à verrouillage de phase PLL mettant en oeuvre l'oscillateur VCO discret performant non intégrable. La 20 trace 2 traduit les performances d'une boucle à verrouillage de phase PLL intégrée dégradée du fait du faible coefficient de surtension de l'oscillateur VCO intégré. La trace 3 correspond à un gabarit qui est une spécification déterminée. La partie hachurée correspondant à la partie supérieure de la courbe de gabarit correspond à une zone non acceptable.

25 Les divers tronçons de droite A, B, C et D des différentes traces indiquent les diverses contributions au bruit des différents éléments de ces oscillateurs. Le tronçon A est représentatif du bruit sur le signal de référence de fréquence fR, le tronçon B est représentatif du bruit du au comparateur de phase, le tronçon C est représentatif du bruit du a l'oscillateur local VCO et le tronçon 30 D correspond au bruit dit bruit thermique. Le but de ce graphique est de montrer que la trace 2 correspondant aux performances d'une PLL intégrée se retrouve dans cette zone définie comme 2904912 5 non acceptable tandis que la trace 1 se retrouve acceptable. La trace 2 est donc en dehors du gabarit et ne satisfait donc pas aux exigences représentées par le gabarit. Elle traduit l'instabilité de l'oscillateur.

5 La figure 3 est un synoptique du concept proposé. Le concept proposé part du principe qu'une mise en parallèle de plusieurs boucles de verrouillage de phase va permettre de diminuer la composante résultante du bruit. En effet, tandis que les signaux issus de l'oscillateur de référence sont synchrones et vont donc être sommés de manière optimale 10 en amplitude, les composantes de bruit de ces signaux, par définition asynchrones, s'additionneront en puissance. Cette addition permettra à la résultante de la somme des composantes de bruit d'être décalée d'une valeur de -10 log N où N est le nombre de boucles de verrouillage de phase mises en parallèle.

15 Seule la composante de bruit due au signal de référence se retrouve sur chaque composante utile du signal. C'est donc un signal synchronisé qui est sommé et la sommation est en amplitude. N boucles à verrouillage de phase parallèles, similaires à celles décrites en référence avec la figure 1, sont donc connectées à un signal de référence SR 20 et donc programmées à la même fréquence de référence fR. Elles sont donc asservies sur ce signal à cette fréquence. Connaissant le concept, nous allons procéder à la description du synoptique représenté par la figure 3. Un signal de référence SR à la fréquence fR et de phase cpo est émis par 25 exemple par un oscillateur de référence 50. Ce signal est appliqué à l'entrée de N voies parallèles formées par des boucles à verrouillage de phase 1, 2,..., N. Chaque boucle à verrouillage de phase comporte principalement un comparateur de phase 11, 12,...,1N, un VCO 31, 32,..., 3N et un diviseur 41, 42, ...4N, tels représenté s et décrits par la figure 1. Les N boucles à 30 verrouillage de phase sont programmées à la même fréquence fs et asservies sur la même fréquence de référence fR. Ils sont donc asservis en fréquence et en phase. Les signaux issus de ces voies 1 à N sont sommés 2904912 6 en un signal de sortie S, par le sommateur 80. Les signaux étant synchrones, la sommation est faite en amplitude. L'amplitude du signal S résultant correspond donc à la somme des amplitudes des différents signaux issus de chaque voie 1, 2, N.

5 Il est possible d'intercaler sur chaque voie des éléments de déphasage 71, 72, 7N entre les différentes sorties des boucles de déphasage et le sommateur. Chaque déphaseur est commandé par un signal issu d'un élément de commande 100 de façon à maximiser la puissance du signal par action séquentielle sur les N déphaseurs. Il est ainsi possible de sommer de 10 manière optimale en amplitude les signaux cohérents issus de chacune des voies 1 à N. Dans une réalisation de l'invention, un élément de commande 100 permet de déterminer la commande de phase à appliquer à chaque déphaseur en fonction du signal de sortie du sommateur prélevé par exemple à l'aide d' un coupleur associé à un dispositif de mesure de 15 puissance qui prélève une partie du signal de sortie. L'unité de commande détermine en fonction du signal de sortie et par action séquentielle un signal de commande de chaque déphaseur de façon à optimiser le signal de sortie. Le bruit accompagnant chaque signal va être de même sommé. Comme vu 20 précédemment, il est possible de reconnaître principalement 4 contributions au signal de bruit émis. Seule la contribution au bruit du signal de référence sera répertoriée identiquement sur chaque voie et par conséquence le sommateur somme en amplitude cette composante synchrone de bruit apparaissant sur chaque voie. La composante sommée due à ce bruit sera 25 donc multiplié par le facteur 20 log N. Par contre, les composantes de bruit dues aux autres éléments et les composantes dues au bruit thermique sont asynchrones car toutes les sources de ces bruits sont indépendantes. Leur sommation se fera donc en puissance. La somme sera donc diminuer d'un facteur 10 log N. Ces 30 contributions seront séparément analysées à l'aide du diagramme de la figure 4. 2904912 7 .La figure 4 est un diagramme représentant les performances du système à multiples boucles à verrouillage de phase selon l'invention. Sur ce diagramme les traces 1, 2 et 3 représentent les performances des systèmes selon l'état de la technique en fonction d'un gabarit telles représentées par la 5 figure 2 et sont reprises. La trace 4 représentant la densité de bruit de phase en fonction de la variation de fréquence du système à N voies selon l'invention. La trace 4 comme d'ailleurs les autres traces, est formée de 4 tronçons A, B, C et D. Dans chaque tronçon on peut observer la contribution d'un des éléments à la densité du bruit observé. Le tronçon A permet 10 d'observer la contribution de l'élément émettant la fréquence de référence à la densité du bruit observé. On remarque que ce tronçon est décalé du même tronçon de la trace 1 correspondant au système compo rtant un oscillateur VCO intégré et une seule boucle de verrouillage de phase PLL selon l'état de la technique de +201og N, où N est le nombre de voies 15 parallèles. La densité du bruit de phase en sortie due aux comparateurs de phase composant les diverses boucles de verrouillage de phase PLL des N voies est représenté par le tronçon B de cette trace. Le tronçon C représente les perturbations dues aux oscillateurs VCO. Le dernier tronçon représente la contribution due au bruit thermique. Les tronçons B, C et D sont décalés de 20 -10 log N par rapport aux tronçons équivalents du système selon l'état de la technique. On peut facilement remarquer que la partie centrale de cette trace 4 se trouve en dessous de celle représentant le gabarit. La densité du bruit de phase s'est donc nettement améliorée par rapport à l'état de la technique et 25 pour une spécification donnée. Cette figure 4 illustre également le fait que les performances d'un tel concept dépendent du nombre de chaînes mises en oeuvre et peuvent être nettement meilleures que la solution de référence.

30 On peut néanmoins observer une dégradation des performances pour des offsets de fréquence faible du fait de la combinaison en amplitude des 2904912 8 composantes de bruit du à l'oscillateur de référence REF. Cette contribution de bruit très basse fréquence ne constitue pas un problème majeur pour le démodulateur qui peut les compenser. Les performances en bruit pour les offsets importants sont également 5 sensiblement améliorées par ce concept ce qui présente un avantage majeur dans le cas d'une réception dans un environnement pollué avec des perturbateurs de fortes amplitudes relatives. Le concept proposé ici peut s'appliquer à tout système de communication mettant en oeuvre un ou plusieurs oscillateurs locaux (PLL) de transposition 10 de fréquence. Cette solution est intégrable et permet d'augmenter l'efficacité spectrale d'une transmission de signaux.

Claims (3)

REVENDICATIONS

1. Système d'amélioration du bruit de phase d'un oscillateur local VCO comprenant une boucle à verrouillage de phase, asservie à un signal de référence SR, caractérisé en ce qu'il comporte de plus des moyens de stabilisation formés par : - N autres boucles à verrouillage de phase mettant en oeuvre N oscillateurs locaux VCO, programmés à la même fréquence fs connectées en 10 parallèle et asservies au signal de référence SR ; et - un sommateur pour sommer les signaux issus des N boucles à verrouillage de phase et émettre un signal S sommé en amplitude et dont la composante bruit, sommée en puissance, est réduite. 15

2. Système d'amélioration du bruit de phase d'un oscillateur local selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens de stabilisation comportent de plus : - N déphaseurs, chaque déphaseur étant associé à une boucle à verrouillage de phase ; 20 - un élément de couplage associé à un détecteur de puissance pour émettre un signal correspondant à la puissance du signal reçu ; - un élément de commande pour appliquer une commande séquentielle de déphasage à chaque déphaseur en fonction du signal de puissance du signal reçu. 25

3. Système d'amélioration du bruit de phase d'un oscillateur local selon la revendication 1 ou 2 caractérisé en ce que le système est intégrable.