OA10476A - Dispositif de déphasage et d'atténuation passif et apériodique de signaux électriques - Google Patents

Description

I DISPOSITIF DE DEPHASAGE ET D'A TTENUA TH) NPASSIF ET APERIODIQUE DE SIGNAUX ELECTRIQUES ü i υ à 7 6 - 1 -

La présente invention concerne un dispositif de déphasage et d'atténuation pour le traitement des signauxélectriques dans le domaine des radiocommunications, télécommunications, radars, sonar et traitementdu signal.

Dans une chaîne de traitement ou transmission de signaux, le dispositif transmet, à sa sortie, chaquecomposante spectrale du signal appliqué à son entrée après lui avoir imposé une rotation de phase φ etun affaiblissement a définis par des signaux de commandes numériques appliqués au dispositif.

Le dispositif de déphasage et d'atténuation, appelé également pondérateur, assure, à l'intérieur d’unebande de fréquence étendue, la génération d'une onde dont les phases et les amplitudes des composantesspectrales, par rapport à celles d'une onde qui lui est appliquée, sont réglables et définies de façon uniquepour toute la bande de fréquence de fonctionnement.

En pratique, une opération d'atténuation n'est pas sélective, c'est-à-dire qu'elle est réalisable sansmodification des commandes sur une bande de fréquence étendue.

Par contre, une opération de déphasage est nécessairement sélective et, avec les circuits électriquesusuels passifs, les commandes doivent être modifiées en fonction de la fréquence.

La réalisation d'un dispositif passif, assurant la fonction de phasage sur une bande de fréquence étendue,nécessite la mise en oeuvre de circuits spéciaux.

Les dispositifs de pondération actuels sont répartis en deux catégories.

Dans une première catégorie, le dispositif pondérateur est passif et sépare les fonctions déphasage etatténuation. Il peut être, par exemple, constitué par l'utilisation de tronçons de lignes de longueursvariables commutés selon la fréquence pour obtenir le déphasage souhaité ou par des circuits déphaseursconstitués par l'assemblage de capacités, d'inductances ou de résistances ajustées, selon la fréquence,pour obtenir le déphasage souhaité et par un atténuateur.

Les dispositifs de cette première catégorie sont dits à bande étroite par le fait qu'un réglage du déphasagen'est valable que sur une étendue réduite de la gamme de fréquence. De plus, ils nécessitent le réglagedes valeurs d'éléments passifs souvent obtenu par la commutation d'éléments de valeurs différentes.

Dans une seconde catégorie, le dispositif pondérateur est actif et peut combiner la fonction déphasage etla fonction atténuation. Il utilise alors, soit des modulateurs équilibrés, soit des changeurs de fréquenceou des systèmes électroniques équivalents. Ces dispositifs introduisent un bruit électrique important quiles rend inutilisables lorsqu'il s'agit de traiter des signaux faibles et de plus, ils sont sensibles aux effetsd'intermodulation en présence de signaux de grande amplitude, comme par exemple, les signauxd'interférence dans les systèmes de réception.

La présente invention vise à fournir un dispositif pondérateur remédiant aux inconvénients précités,particulièrement en améliorant, par rapport aux systèmes existants, la bande passante, les performancesvis-à-vis du bruit thermique et les performances vis-à-vis des défauts d'intermodulation, tout en réduisantle coût de fabrication grâce à des éléments de composants relativement simples et peu coûteux. -2- A cette fin, un dispositif pondérateur générant, à partir d'un signal d'entrée, un signal de sortie dont les composantes spectrales sont déphasées et atténuées de quantités données par rapport au signal d'entrée, est caractérisé en ce qu'il comprend : • Un circuit adaptateur qui reçoit à son entrée le signal d'entrée de façon à délivrer, sur deux sorties,sortie 1 et sortie 2 du circuit adaptateur, deux signaux de sortie images du signal d'entrée, en phase ouen opposition de phase avec le signal d'entrée et d'amplitudes égales en rapports constants avec celledu signal d'entrée. • Deux voies de transfert, appelées voie de transfert 1 et voie de transfert 2; voie de transfert 1 qui reçoitle signal produit par la sortie 1 du circuit adaptateur, voie de transfert 2 qui reçoit le signal produit parla sortie 2 du circuit adaptateur.

Chacune des voies comprend : - Un système d'inversion qui selon la commande qui lui est appliquée, change ou ne change pas lesigne du signal transmis par rapport au signal d'entrée. - Un circuit déphaseur qui introduit sur le signal qu'il transmet un déphasage variable mais connu,dans la bande de fréquence utile.

Les caractéristiques des circuits sont établies pour que la différence entre le déphasage introduit parle circuit déphaseur de la voie de transfert 1 et le déphasage introduit par le circuit déphaseur de lavoie de transfert 2 soit, dans toute la bande de fréquence utile, égal à 90 degrés. - Un atténuateur apériodique introduisant une atténuation dont la valeur est choisie en fonction de lapondération souhaitée sur le signal. • Un circuit d'addition qui effectue la somme algébrique des signaux délivrés par les deux voies detransfert.

Une composante spectrale du signal d'entrée pouvant être représentée par la fonction :

Ly.· = Vo cos (ω 0 t + ψ )le signal de sortie est égal à : = Vo [± A, cos (ω 0 t + ψ + φ0) ± A2 sin (ω „ t + ψ +φ0)] où /^A et /^A SOnt 'es affaiblissements introduits respectivement sur les voies de transfert 1 et 2. On définit l'affaiblissement d’un atténuateur par le rapport de l'amplitude de la tension d'entrée à celle qu'ildélivre à sa sortie. <pr/ est le déphasage connu introduit par la voie 1 à la pulsation ω()

Les signes ± liés à A, et A2 sont introduits par le système d'inversion décrit précédemment.

Cette expression peut s'écrire sous la forme : ». =af0 cos (ω 0 r + ψ + φ0+φ) -3- où a =(/1,2 + Aj'j 1/2 représente l'affaiblissement apporté sur l'amplitude du signal utile,φ est le déphasage souhaité défini par : cos φ = ± sin φ - + Λ, et qui peut prendre toutes les valeurs possibles entre 0 et 360 degrés.

Ce dispositif, selon l'invention, comprend un système de commande qui agit sur les systèmes d'inversionet sur les affaiblissements programmables des atténuateurs.

Le dispositif de commande reçoit deux ensembles de symboles numériques d'entrée représentant, dansdes codes convenus, l'affaiblissement a et le déphasage souhaité φ.

Le dispositif de commande fait correspondre aux symboles numériques d'entrée, les symboles numériques de commande fixant les valeurs des affaiblissements K et >/a2 des attenuateurs programmables dans les codes de commande des atténuateurs ainsi que les symboles numériques decommande des systèmes d'inversion dans leurs codes de commande.

Selon l'invention, le système de commande peut comprendre un système de correction qui améliore laprécision du dispositif.

Le système de correction indique les valeurs qu'il faut ajouter aux affaiblissements qu’apporteraient lesatténuateurs si le dispositif était parfait pour obtenir, dans le dispositif réel, les valeurs d'affaiblissementa et le déphasage φ et φ„ du signal souhaitées, compensant ainsi les imperfections du dispositif.

Cette correction est apportée en scindant la gamme de fréquence utile en sous-gammes dans lesquellesles valeurs des corrections apportées sur les affaiblissements demeurent constantes.

Cette correction est apportée sur les valeurs des affaiblissements et définis précédemment.

Les valeurs de correction des affaiblissements sont déterminées par un étalonnage préalable du dispositifet restent valables pour la durée de vie du dispositif.

Le circuit adaptateur est de préférence un transformateur large bande dont le secondaire peut êtreconstitué par un bobinage à point milieu, deux bobinages séparés ou un seul bobinage. Si les impédancespeuvent être convenablement choisies, le circuit adaptateur peut être réduit à une simple liaison filaire.

Le système d'inversion est de préférence un inverseur unipolaire dont l'une des bornes, borne ditecommune, peut être connectée à l'une ou l'autre des deux autres bornes (bornes non communes).

Ces bornes non communes sont connectées aux deux extrémités d'un bobinage de transformateur dont lepoint milieu est connecté à un potentiel fixe.

Si ce bobinage est un primaire, le signal d'entrée est appliqué à la borne commune, s'il est un secondaire,le signal de sortie est prélevé sur la borne commune. -4- L'inverseur peut être un relais dont les caractéristiques conviennent à la gamme de fréquence utile ou un jeu d'interrupteurs électroniques à diodes, par exemple à diodes PIN ou As Ga.

Le système déphaseur est de préférence un circuit dont le module de la fonction de transfert est constantsur la bande de fréquence utile et dont l'impédance caractéristique est égale à celles des circuits auxquelsil est connecté.

Les variations de la phase des fonctions de transfert de ces circuits sont tels que la différence de celle ducircuit déphaseur de la voie de transfert 1 et celle du circuit déphaseur de la voie de transfert 2 est égale,dans toute la bande de fréquence utile, à 90 degrés.

Ces circuits sont constitués par des assemblages d'inductances et de capacités afin de ne pas introduire depertes d'énergie. Ces circuits sont de préférence constitués par des cellules en treillis.

Les atténuateurs sont de préférence, des réseaux de résistances commutés par des interrupteurs à relaisou électroniques constitués par des diodes à très faible résistances directes et grandes résistances inversestelles que des diodes PIN ou As Ga. Les réseaux sont de préférence constitués par des cellules en Pi.

Le circuit d'addition est de préférence un transformateur à deux enroulements primaires large bandecouvrant la bande de fréquence utile.

Le système de commande est de préférence constitué par un assemblage de circuits électroniques quireçoit à son entrée des signaux numériques représentant l'affaiblissement souhaité a et le déphasagesouhaité φ du signal utile.

Si le système de correction est établi en utilisant au moins deux sous-bandes de la bande de fréquenceutile, le système de commande reçoit également à son entrée un troisième signal indiquant la sous-bandede fréquence utilisée.

Les signaux appliqués représentent les grandeurs α , φ et la sous-bande dans des codes numériquesconvenus.

Le circuit qui contient les valeurs des corrections est de préférence une zone mémoire dans laquelle lesvaleurs sont inscrites lors d'une phase d'étalonnage préalable. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront plus clairement à la lecture dela description suivante de plusieurs réalisations préférées de l'invention en référence aux dessins annexéscorrespondants dans lesquels : - La figure 1 est un bloc diagramme schématique d'un dispositif de pondération selon l'invention. - La figure 2a est un premier bloc diagramme d'une voie de transfert associant un systèmed'inversion, un circuit déphaseur et un atténuateur apériodique. - La figure 2b est un second bloc diagramme d'une voie de transfert associant un circuit déphaseur,un système d'inversion, et un atténuateur apériodique. - La figure 2c est un troisième bloc diagramme d'une voie de transfert associant un atténuateurapériodique et un ensemble (circuit déphaseur, système d'inversion). - 5 - - La figure 3a est une première réalisation d'un circuit déphaseur. - La figure 3b est une seconde réalisation d'un circuit déphaseur. - La figure 4a est une première réalisation d'un système d'inversion. - La figure 4b est une seconde réalisation d'un système d'inversion. - La figure 5a est le bloc diagramme d'une réalisation du circuit de commande dans le cas où il n'y apas de correction ou dans le cas où la correction est effectuée de façon globale sur toute la bande defréquence utile (cas équivalent à ne définir qu'une seule sous-bande). - La figure 5b est le bloc diagramme d'une réalisation du circuit de commande avec une correctioneffectuée avec l'utilisation d'au moins deux sous-gammes de fréquence.

En référence à la figure 1, le dispositif de pondération produit en S un signal utile de sortie Vs dontchaque composante spectrale est déphasée et atténuée de quantités programmables par rapport à lacomposante spectrale de même fréquence du signal d'entrée appliqué en E et se trouvant dans la bande defréquence utile. Les signaux utiles d'entrée et de sortie sont, par exemple, des signaux traités dans desappareils de télécommunications, radar ou sonar ou traitement de signal.

Un circuit adaptateur (CA) qui peut être réduit à de simples liaisons filaires produit, à partir, du signalutile d'entrée Ve deux signaux de sortie Vgy\ et Vg^ tels que Vg^ = Vg<A ou que Vgyy = - Vg'yy Cecircuit adaptateur est simplement constitué par un transformateur disponible sur le marché de laproduction industrielle, mais il peut être constitué par une réalisation particulière.

Les signaux Vgyy et Vg'yy sont appliqués respectivement aux voies de transfert VT1 et VT2 dont lesconstitutions sont similaires. Ces voies délivrent les tensions Vg-j et Vg2 dont les amplitudes sontfixées par les voies de transfert et qui sont en quadrature de phase selon le principe décrit précédemment.

Les signaux Vg 1 et Vg2 sont additionnés dans le circuit d'addition (CAD) qui peut être constitué par untransformateur large bande disponible sur le marché de la production industrielle, mais qui peut êtreconstitué par une réalisation particulière.

Un tel transformateur est constitué par deux enroulements primaires et son enroulement secondaire.

Le signal délivré par le circuit d'addition est le signal utile de sortie.

Le circuit de commande reçoit les deux signaux numériques représentant : - pour le signal Cj l'affaiblissement a souhaité, - pour le signal C2 le déphasage φ souhaité, et, si le système de correction est utilisé et, si le nombre de sous-gamme défini pour la correction estsupérieur ou égal à 2 : - pour le signal C3 l'indication de la sous-gamme de fréquence opérationnelle.

Le circuit de commande produit les signaux : - S] qui fixe l'affaiblissement de l'atténuateur de la voie de transfert 1. - S2 qui fixe l'affaiblissement de l'atténuateur de la voie de transfert 2. -6- - S3 qui fixe l'état du système d'inversion de la voie de transfert 1. - S4 qui fixe l'état du système d'inversion de la voie de transfert 2.

Les figures 2-a, 2-b, 2-c sont des blocs diagramme de réalisation d'une voie de transfert.

On décrit ici la voie de transfert 1, la voie de transfert 2 étant similaire. La voie de transfert est constituéepar la mise en cascade du système d'inversion, du circuit déphaseur et de l'atténuateur apériodique, quipeuvent être associés de différentes façons.

La figure 2-a est une première association. Le signal d'entrée Vg^ est transmis à la sortie du systèmed'inversion qui délivre la tension Vg^, soit sur la borne Sj et alors Vgj = Vg^ tandis que le potentielVg'j de la borne S'j n'est pas imposé par le système d'inversion, soit sur la borne S'j et alors Vg'j = Vg^tandis que le potentiel Vgj de la borne Sj n'est pas imposé par le système d'inversion.

Ces choix sont commandés par le signal S3 (S4 pour la voie de transfert 2).

Le circuit déphaseur, lorsqu'on lui applique la tension Vgj - Vg^ délivre en Sj) la tension Vgj)déphasée et lorsqu'on lui applique la tension Vg'j = Vg/ç la tension Vgj) subit une rotation de phasesupplémentaire de 180 degrés par rapport au cas où Vgj = Vg^.

Le circuit déphaseur de la voie de transfert 2 introduit une rotation de phase supplémentaire de 90 degréspar rapport au déphaseur de la voie de transfert 1. L'atténuateur apériodique fournit la tension Vg-p qui est la valeur de Vgj) atténuée d'une quantitécommandée par Sj (S2 pour la voie de transfert 2).

La figure 2-b est une seconde association. Elle diffère de la première par la commutation du circuitdéphaseur avec le système d'inversion. Le circuit déphaseur dans une structure qui sera précisée, délivreen Sj) un signal Vgj) déphasé et en S'j) un signal Vg'j) qui est déphasé de 180 degrés par rapport à Vgj).Le système d'inversion transmet en Sj un signal Vgj égal, soit à Vgj), soit à Vg'j) selon le signal decommande S3 (S4 pour la voie de transfert 2). L’atténuateur apériodique fournit la tension Vgy qui est la valeur de Vgj atténuée d'une quantitécommandée par Sj (S2 pour la voie de transfert 2).

La figure 2c, est une troisième association.

Elle diffère des associations des figures 2-a et 2-b par le fait que l'atténuateur est placé avant le circuitdéphaseur et le système d'inversion. L'atténuateur reçoit à son entrée ET, le signal Vgy\ et délivre la tension Vg^y qui est la valeur de Vgy\atténuée d'une quantité commandée par Sj (§2 pour la voie de transfert 2). Les structures etfonctionnements de l'ensemble circuit déphaseur - système d'inversion sont ceux décrits a propos desfigures 2-a et 2-b.

La figure 3-a est une réalisation d'un circuit déphaseur, tel qu'il est utilisé dans l'association de la figure 2-a. Le transformateur placé à l'entrée du circuit TR2 est large bande et son primaire à point milieu permet d'obtenir une rotation de phase supplémentaire de 180 degrés selon qu'on applique le signal d'entrée Vgj sur Ej) ou Vg'j sur E'j). La partie du circuit qui assure le déphasage est constituée par une association de cellules en treillis, chaque cellule étant constituée par deux inductances et deux capacités. -7-

Sur l'exemple présenté, deux cellules sont utilisées : Lj, L'j, Cj, C'j pour l'une L2, L'2, C2, C'2 pourl'autre. Ces cellules sont non dissipatives et sont de type "passe tout". Le signal de sortie VgQ est obtenupar le transformateur TR] qui rétablit un signal dissymétrique et assure l'adaptation d'impédance.

La figure 3-b montre l'utilisation du circuit de la figure 3-a dans un fonctionnement inversé, le circuitétant passif, il est réciproque. Le signal d'entrée Vg^ est appliqué en Eq et transmis par letransformateur TR] aux cellules déphaseuses montées en treillis. Le transformateurs TR2 transmet lessignaux de sortie VgQ en S 9 et Vgqy en S'q qui sont déphasés de 180 degrés l'un par rapport à l'autre.Ce montage convient à l'association de la figure 2a.

Les transformateurs utilisés sont à large bande passante et sont disponibles sur le marché de laproduction industrielle, mais ils peuvent être constitués par une réalisation particulière.

La figure 4-a, est une première réalisation du système d'inversion utilisant un relais électromécanique, lesignai Vj?i étant, selon la commande S3, égal au signal Vgj ou au signal Vgq. La figure 4b est uneseconde réalisation d'interrupteur électronique qui permet de réaliser un inverseur par l'association dedeux interrupteurs. Les éléments Zg présentant des impédances élevées pour les signaux utiles, ce sont,par exemple, des inductances, lorsque le signal S3 est positif, les diodes D sont passantes et Vgj = Vgj,tandis que lorsque S3 est négatif, les diodes sont bloquées. On réalise ainsi un interrupteur.

Ces systèmes dont deux exemples sont présentés sur les figures 4a et 4b, sont réalisables sous d'autresformes et sont disponibles sur le marché de la production industrielle, mais il peuvent être constitués parune réalisation particulière.

La figure 5-a est le bloc diagramme du circuit de commande utilisable si l'on ne réalise pas de correction,ou si la correction est effectuée en n'utilisant qu'une seule sous-bande, c'est-à-dire, si une correctionglobale est effectuée pour la bande de fréquence utile. Dans ce cas, les signaux C] et C2 décritsprécédemment sont appliqués sur les adresses d'une zone mémoire (M|) qui délivre les signaux S], S2,S3, S4 décrits précédemment.

La figure 5-b est le bloc diagramme du circuit de commande utilisable si on réalise une correctioneffectuée en utilisant au moins deux sous-bandes de fréquence.

Les signaux C] et C2 décrits précédemment sont appliqués à une zone mémoire (M2) qui délivre lessignaux S'], S'2, donnant les valeurs des affaiblissements théoriques des atténuateurs, c'est-à-dire, enl'absence de défaut, et les signaux S3 et S4 de commande des circuits d'inversion.

Les signaux Cl, C2 et C3 décrits précédemment sont appliqués à une seconde zone mémoire (M3) quifournit par les signaux S"j, et S"2 les valeurs des corrections des affaiblissements des atténuateurs parsous-gamme. Le signal de commande SI est obtenu par l'addition des signaux numériques S'j et S"]dans un circuit additionneur et le signal de commande S2 est obtenu par l'addition des signauxnumériques S'2 et S"2 dans un circuit additionneur.

Ces circuits peuvent être réalisés en matériel ou en logiciel dans un calculateur.

Les atténuateurs sont de préférence constitués par des cellules résistives en PI, commutées selon une technique bien connue. Ces systèmes sont disponibles sur le marché de la production industrielle, mais ils peuvent être constitués par une réalisation particulière. -8-

Le dispositif de déphasage et d'atténuation selon l'invention présente les avantages suivants : - Fonctionnement en large bande. - Dispositif ne comprenant que des éléments passifs, non dissipatifs (à l'exception des atténuateurs)simples, disponibles sur le marché de la production industrielle. 5 - Dispositif à très grande dynamique due à sa structure passive. - Dispositif à très faible bruit dû à sa structure passive et non dissipative (excepté pour lesatténuateurs). - Dispositif de grande précision, obtenue par un étalonnage préalable et une fidélité de l'étalonnagedans le temps due à l'emploi de circuits uniquement passifs. 10 - Système de correction simplifié par des corrections par sous-bandes qui réduisent de façon importante la complexité du système de correction.

Claims (7)

1. ' j i υ 7 6 j - 9 - REVENDICATIONS

   1. Dispositif à large bande pour produire, à partir d'un signal d'entrée (VE), unnouveau signal dont chaque composante spectrale est déduite de celle du signald'entrée de même fréquence par un déphasage réglable de 0 à 360 degrés et un 5 affaiblissement réglable de 1 à des valeurs arbitrairement importantes, comprenant uncircuit adaptateur (CA) qui applique deux signaux (VSA, VS1A) à deux voies de transfert(VT1, VT2) qui délivrent deux signaux (VST, VST) dont les composantes spectralessont en quadrature de phase et d'amplitudes algébriques réglées pour obtenir par uncircuit d'addition (CAD) le signal de sortie dont chaque composante spectrale est 10 déphasée et atténuée de valeurs désignées par l'application au dispositif de signauxnumériques de commande (C1? C^) traités par un circuit de commande (CC),caractérisé en ce que le circuit adaptateur (CA), le circuit d'addition (CAD) et les deuxvoies de transfert (VT1, VT2) sont réalisés à partir de circuits entièrement passifs.
2. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que chaque voie de transfert est constituée par la mise en cascade d'un système d'inversion (SI), d'uncircuit déphaseur (CD) et d'un atténuateur apériodique (AA).
3. 3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que les circuits 20 déphaseurs (CD) sont constitués par l'association de transformateurs dont un desenroulements est à point milieu (TR2), de transformateurs comprenant desenroulements simples (TRI) et de cellules de filtres passe tout à inductances etcapacités assurant le déphasage.
4. 4. Dispositif selon la revendication 2 ou 3, caractérisé en ce que les systèmes d'inversion (SI) sont constitués par des relais électromagnétiques ou par desassociations d'interrupteurs électroniques.
5. 5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 2 à 4, caractérisé en ce 30 que les atténuateurs apériodiques (AA) sont constitués par des réseaux de résistances commutés. - io - j
6. 6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 2 à 5, caractérisé en cequ'un système de correction permet dans le circuit de commande (CC) d'améliorer laprécision du dispositif par un étalonnage préalable permettant de mémoriser dans unemémoire (MJ la correspondance entre les signaux numériques de commande (Cv CJ 5 et les signaux de commande des atténuateurs (Sp S2) et des systèmes d'inversion(S3, S4).
7. 7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 2 à 5, caractérisé en cequ'un système de correction par sous bande implanté dans le circuit de commande 10 (CC) permet d'améliorer la précision du dispositif par un étalonnage préalable enmémorisant, dans une zone mémoire (M3), les corrections à apporter par sous bandeet qui sont additionnées (ADI, AD2), aux valeurs théoriques (S'l5 S'2) des signauxnumériques de commande des atténuateurs (AA) pour obtenir les signaux decommande réels (Sp S2) donnant le minimum d'erreur. 15