WO2000003475A1 - Modulateur vectoriel - Google Patents

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WO2000003475A1
WO2000003475A1 PCT/FR1999/001660 FR9901660W WO0003475A1 WO 2000003475 A1 WO2000003475 A1 WO 2000003475A1 FR 9901660 W FR9901660 W FR 9901660W WO 0003475 A1 WO0003475 A1 WO 0003475A1
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phase
vectors
polyphase filter
output
modulator
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PCT/FR1999/001660
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English (en)
Inventor
Jean Russat
Nicolas Fel
Original Assignee
Commissariat A L'energie Atomique
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Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03C—MODULATION
    • H03C1/00—Amplitude modulation
    • H03C1/52—Modulators in which carrier or one sideband is wholly or partially suppressed
    • H03C1/60—Modulators in which carrier or one sideband is wholly or partially suppressed with one sideband wholly or partially suppressed

Definitions

  • the present invention relates to a vector modulator.
  • phase shift of an electrical signal can be digital, with phase jumps, or analog, with continuous phase variation.
  • Digital phase shifters use diodes
  • PIN or field effect transistors used as electronic switches, enabling switching between transmission lines of different lengths (phase shift by propagation / transmission delay) or between sections of low-pass / high-pass filter structures , for example.
  • variable capacity diodes or field effect transistors as continuously variable impedances allows the production of analog phase shifters, ensuring the phase shift of the wave in transmission, as in vector modulators, or else in reflection, as in diode phase shifters.
  • phase and quadrature outputs of the hybrid coupler 10 are loaded by variable reactive elements.
  • the variation in reactive impedance compared to the characteristic impedance causes a variation in the phase of the output signal S through a complex reflection coefficient r.
  • Diode phase shifters essentially use variable capacity voltage-controlled diodes for continuous phase shifting, or PIN diodes operating in switching mode, for digital phase shifting.
  • hybrid ring or square couplers or transformers can be used interchangeably.
  • the bandwidth of the phase shifters thus formed is limited by the use of a coupler: these devices are typically narrow band, or work best on a band of two octaves: ⁇ - 4 ⁇ .
  • Vector modulators use the principle of adding orthogonal vectors (I / Q vectors) of variable amplitude.
  • phase shift between the input signal E and the output signal S results from the recombination (11) of two quadrature components attenuated separately.
  • An example of a 0-90 ° phase shifter with vector modulator is given in FIG. 2, with commands I and Q.
  • a 0-360 ° phase shifter is obtained by combination of 90 ° 10 hybrid couplers and 180 ° 12 hybrid couplers, as illustrated in FIGS. 3A, 3B or 3C, or else by setting in cascade of four 0-90 ° cells.
  • the circuit referenced 13 is a 1/4 phase divider and the circuits referenced 14 are 4: 1 phase combiners.
  • phase shifters are all based on the generation of signals in phase quadrature, by the use and combination of 90 ° hybrid couplers.
  • 90 ° hybrid couplers have a bandwidth extending at most to around two octaves. It is therefore the same for the phase shifters thus formed.
  • the article reference [1] at the end of the description describes structures of this type and in particular that of a vector modulator.
  • the object of the invention is to overcome the drawbacks of the devices of the prior art by proposing a new type of vector modulator.
  • the present invention relates to a vector modulator, characterized in that it comprises: - an input stage ensuring the generation of a pseudo-base of four vectors ⁇ 1, ⁇ Q ⁇ , and comprising a polyphase filter;
  • the entrance floor successively comprises:
  • the exit stage includes:
  • variable attenuators making it possible to carry out a separate control of the amplitude of each of the basic vectors
  • the output stage comprises two differential amplifiers isolating the variable attenuators of the polyphase filter / network.
  • the quadrature channels are connected to the common output through buffer amplifier stages each followed by a summing capacity.
  • Such a modulator can be used, in fact, for the transmission of signals in single sideband (Single Side-Band or SSB), or even in single sideband without carrier.
  • Single Side-Band or SSB Single Side-Band
  • Such modes of transmission are suitable for satellite communications, digital television, or telephony.
  • the principle consists in transposing the frequency of the signal useful for coding a carrier, in order to meet criteria of congestion of the electromagnetic spectrum or of quality of transmission. It can also be used in antenna arrays or synthetic aperture radars: beam scanning by phase scanning.
  • FIG. 1 illustrates a 0 to 90 ° phase shifter with varicap diodes of the prior art
  • - Figure 2 illustrates a 0 to 90 ° phase shifter with vector modulator of the prior art
  • - Figures 3A, 3B and 3C illustrate phase shifters 0 to 360 ° by vector modulator of the prior art
  • FIGS. 5A and 5B respectively illustrate a polyphase network structure with n sections, and the quadrature difference between the I / Q vectors as a function of the reduced frequency f x 2 ⁇ RC for n varying from 1 to 5 sections;
  • FIGS. 6A and 6B respectively illustrate the transfer function S21 of four basic vectors +1, -I, + Q and -Q, and the phase error with respect to a perfect quadrature between the vectors I and ⁇ Q, as well as a perfect phase opposition between the vectors +1 and -I, obtained on a vector modulator comprising a polyphase filter with four sections.
  • the present invention is based on the principle of a vector modulator with polyphase filter, as illustrated in FIG. 4.
  • This modulator comprises:
  • an input stage 18 ensuring the generation of a pseudo-base of four vectors ⁇ 1, ⁇ Q ⁇ ;
  • the input stage 18 successively comprises:
  • a generator 20 of signals + v (t) and -v (t) in phase opposition which can be any device providing two signals phase shifted by 180 °: transformer, 180 ° hybrid coupler.
  • An advantageous solution uses a differential amplifier with one or more stages, for its large bandwidth as well as for the precision of obtaining signals phase shifted by 180 °;
  • the multi-phase filter / network structure described in the documents referenced [4] and [5], is used in the audio-frequency domain ( ⁇ 300 - 3000 Hz), for the production of single sideband modulators. It preferably consists of a cyclic and repetitive structure based on equal resistances (R) and capacities (C, C / 2 .... C / 2 1-
  • the output of the polyphase filter / network 21 delivers a pseudo-base of four orthogonal vectors two by two ( ⁇ 1, ⁇ Q ⁇ .
  • FIG. 5B represents the quadrature difference between the vectors I and Q as a function of the reduced frequency f x 2 ⁇ RC for n varying from 1 to 5 sections.
  • the output stage 19 comprises: - four variable attenuators 22, 23, 24 and
  • these attenuators 22, 23, 24 and 25 can be isolated from the polyphase filter / network 21 by two differential amplifiers 26 and 27, in order to minimize the influence of load variations on the overall behavior of the modulator;
  • the output stage 19 can include any structure allowing the amplitude of the basic vectors to be modified separately.
  • FIG. 6A represents the transfer function S21 when each of the four basic vectors +1, -I, + Q and -Q is successively selected.
  • the measurement is carried out between 10 MHz and 3000 MHz.
  • the bandwidth at -3 dB of each of these vectors is of the order of 30 Mhz - 1500 Mhz (or a ratio of 50 to 1), which is also the bandwidth of the vector modulator.
  • Its operating band for a given phase error (for example ⁇ 5 °) is slightly lower ( ⁇ 80 MHz - 1300 MHz at ⁇ 5 °).
  • FIG. 6B illustrates the phase error with respect to a perfect quadrature between I and ⁇ Q, as well as to a perfect phase opposition between I and -I.

Landscapes

  • Digital Transmission Methods That Use Modulated Carrier Waves (AREA)
  • Amplifiers (AREA)
  • Optical Communication System (AREA)
  • Networks Using Active Elements (AREA)
  • Steroid Compounds (AREA)

Abstract

La présente invention concerne un modulateur vectoriel comprenant: un étage d'entrée (18) assurant la génération d'une pseudo-base de quatre vecteurs {<u>+</u>I, <u>+</u>Q}, et comportant un filtre polyphasé (21); un étage de sortie (19) permettant la gestion de l'amplitude des vecteurs de base, ainsi que leur recombinaison.

Description

MODULATEUR VECTORIEL
DESCRIPTION
Domaine technique
La présente invention concerne un modulateur vectoriel .
Etat de la technique antérieure
Le déphasage d'un signal électrique peut être numérique, avec des sauts de phase, soit analogique, avec variation continue en phase. Les déphaseurs numériques emploient des diodes
PIN ou des transistors à effet de champ, utilisés comme commutateurs électroniques, permettant la commutation entre lignes de transmission de différentes longueurs (déphasage par délai de propagation/transmission) ou bien entre sections de structures de filtrage du type passe-bas/passe-haut, par exemple.
L'utilisation de diodes à capacité variable (varactor) ou de transistors à effet de champ en tant qu'impédances continûment variables permet la réalisation des déphaseurs analogiques, assurant le déphasage de l'onde en transmission, comme dans les modulateurs vectoriels, ou bien en réflexion, comme dans les déphaseurs à diode.
Dans un déphaseur à diodes, comme représenté sur la figure 1, les sorties en phase et en quadrature du coupleur hybride 10 sont chargées par des éléments réactifs variables. La variation d'impédance réactive par rapport à l'impédance caractéristique (50 Ω généralement) entraîne une variation de la phase du signal de sorties S par le biais d'un coefficient de réflexion complexe r .
On obtient les signaux suivants :
• Entrée sin (ωt)
• Sortie O fsin (ωt)
• Sortie -90' -fcos (ωt;
• Sortie S - fcos (ωt ' r | sin (ωt+φ) avec tan 7- r
2 i + r
Les déphaseurs à diodes utilisent essentiellement des diodes à capacité variable commandées en tension pour un déphasage continu, ou des diodes PIN fonctionnant en commutation, pour un déphasage numérique . Dans le principe, on peut utiliser indifféremment des coupleurs hybrides en anneau ou en carré ou des transformateurs. La bande passante des déphaseurs ainsi constitués est limitée par l'emploi d'un coupleur : ces dispositifs sont typiquement à bande étroite, ou fonctionnent au mieux sur une bande de deux octaves : ω - 4ω.
Les modulateurs vectoriels utilisent le principe d'addition de vecteurs orthogonaux (vecteurs I/Q) d'amplitude variable.
Dans un déphaseur à modulateur vectoriel, le déphasage entre le signal d'entrée E et le signal de sortie S résulte de la recombinaison (11) de deux composantes en quadrature atténuées séparément. Un exemple de déphaseur 0-90° à modulateur vectoriel est donné sur la figure 2, avec des commandes I et Q.
Le bilan des signaux pris aux différents points du déphaseur est le suivant : • Entrée E sin (ωt)
• Sortie 0° sin (ωt) /Λ2
• Sortie -90 sin(ωt-π/2)/V2= -cos(ωt)/V2
• Point A asin (ωt) / 2
• Point B -bcos (ωt ) / fï
• Sortie S [asin(ωt)+ bcos(ωt)]/V2
= cos(ωt+φ) si a=cosφ et b=sinφ
Ces dispositifs assurant le déphasage sur un quadrant, un déphaseur 0-360° s'obtient par combinaison de coupleurs hybrides 90° 10 et de coupleurs hybrides 180° 12, comme illustré sur les figures 3A, 3B ou 3C, ou bien par la mise en cascade de quatre cellules 0- 90°. Le circuit référencé 13 est un diviseur 1/4 en phase et les circuits référencés 14 sont des combineurs 4:1 en phase .
Ces différents déphaseurs sont tous basés sur la génération de signaux en quadrature de phase, par l'emploi et la combinaison de coupleurs hybrides à 90°. Par principe, les coupleurs hybrides à 90° possèdent une bande passante s' étendant au maximum à environ deux octaves. Il en est donc de même pour les déphaseurs ainsi constitués. L'article référence [1] en fin de description décrit des structures de ce type et notamment celle d'un modulateur vectoriel.
L'objet de l'invention est de pallier les inconvénients des dispositifs de l'art antérieur en proposant un nouveau type de modulateur vectoriel. Exposé de l'invention
La présente invention concerne un modulateur vectoriel, caractérisé en ce qu'il comprend : - un étage d'entrée assurant la génération d'une pseudo-base de quatre vecteurs {±1, ±Q}, et comportant un filtre polyphasé ;
- un étage de sortie permettant la gestion de l'amplitude des vecteurs de base, ainsi que leur recombinaison.
L'étage d'entrée comporte successivement :
- un générateur de signaux en opposition de phase ;
- un filtre ou réseau polyphasé. L'étape de sortie comporte :
- quatre atténuateurs variables permettant de réaliser un contrôle distinct de l'amplitude de chacun des vecteurs de base ;
- une sortie commune assurant la sommation des quatre voies en quadrature.
Avantageusement l'étage de sortie comprend deux amplificateurs différentiels isolant les atténuateurs variables du filtre/réseau polyphasé. Les voies en quadrature sont reliées à la sortie commune au travers d'étages amplificateurs tampons suivis chacun d'une capacité de sommation.
Les applications possibles pour ce type de modulateur vectoriel sont variées : - formation de faisceaux (réseaux d'antennes, radars à antenne ou ouverture synthétique...) ;
- communications à haut débit, multiplexage fréquentiel et angulaire (communications satellite, télévision numérique, standard WDM (voir documents référencés [2] et [3] en fin de description)..) ; - instrumentation (corrélateur, discriminateur de phase, analyseur vectoriel...).
Un tel modulateur peut être utilisé, en effet, pour la transmission de signaux en bande latérale unique (Single Side-Band ou SSB) , voire en bande latérale unique sans porteuse. De tels modes de transmission conviennent aux communications satellites, télévision numérique, ou téléphonie. Le principe consiste à transposer la fréquence du signal utile pour coder un porteuse, afin de répondre à des critères d'encombrement du spectre électromagnétique ou de qualité de transmission. Il peut également être utilisé dans les réseaux d' antennes ou radars à ouverture synthétique : balayage de faisceau par balayage en phase.
Dans le cas de la télévision numérique, 11 y a deux codages successifs : codage de l'image vidéo, puis modulation sur porteuse vers 12 Ghz... En extrapolant une telle réalisation, on peut ainsi envisager une réalisation analogue en optique : d'où le modulation DM.
Or les applications, fonctions ou systèmes qui exploitent des signaux en quadrature de phase dans une très large bande de fréquence (corrélateur, analyseur de réseaux, discriminateur de phase...) sont particulièrement attractives.
Brève description des dessins
- La figure 1 illustre un déphaseur 0 à 90° à diodes varicap de l'art antérieur ;
- la figure 2 illustre un déphaseur 0 à 90° à modulateur vectoriel de l'art antérieur ; - les figures 3A, 3B et 3C illustrent des déphaseurs 0 à 360° par modulateur vectoriel de l'art antérieur ;
- la figure 4 illustre le modulateur vectoriel selon l'invention ;
- les figures 5A et 5B illustrent respectivement une structure de réseau polyphasé à n sections, et l'écart de quadrature entre les vecteurs I/Q en fonction de la fréquence réduite f x 2πRC pour n variant de 1 à 5 sections ;
- les figures 6A et 6B illustrent respectivement la fonction de transfert S2l de quatre vecteurs de base +1, -I, +Q et -Q, et l'erreur de phase par rapport à une quadrature parfaite entre les vecteurs I et ±Q, ainsi qu'une parfaite opposition de phase entre les vecteurs +1 et -I, obtenues sur un modulateur vectoriel comportant un filtre polyphasé à quatre sections.
Exposé détaillé de modes de réalisation
La présente invention repose sur le principe d'un modulateur vectoriel a filtre polyphasé, comme illustre sur la figure 4. Ce modulateur comporte :
- un étage d'entrée 18 assurant la génération d'une pseudo-base de quatre vecteurs {±1, ±Q} ;
- et un étage de sortie 19 permettant la gestion de l'amplitude des vecteurs de base, ainsi que leur combinaison.
L'étage d'entrée 18 comporte successivement :
- un générateur 20 de signaux +v(t) et -v(t) en opposition de phase, qui peut être tout dispositif fournissant deux signaux déphasés de 180° : transformateur, coupleur hybride 180°. Une solution avantageuse utilise un amplificateur différentiel à un ou plusieurs étages, pour sa grande bande passante ainsi que pour la précision d'obtention des signaux déphasés de 180° ;
- un filtre ou réseau polyphasé 21.
La structure de filtre/réseau polyphasé, décrite dans les documents référencés [4] et [5], est employée dans le domaine des audio-fréquences (~300 - 3000 Hz) , pour la réalisation de modulateurs à bande latérale unique. Elle consiste préférentiellement en une structure cyclique et répétitive à base de résistances égales (R) et de capacités (C, C/2.... C/21-
, ... C/2n~ ) décroissant géométriquement, comme illustré sur la figure 5A.
La sortie du filtre/réseau polyphasé 21 délivre une pseudo-base de quatre vecteurs orthogonaux deux à deux (±1, ±Q}.
La réponse en fréquence du filtre/réseau polyphasé 21 peut être décrite par une fréquence caractéristique qui représente la fréquence basse d'utilisation : f0 = l/2πRC.
La bande passante pour une erreur de quadrature δθ donnée s'accroît avec le nombre de sections. La figure 5B représente l'écart de quadrature entre les vecteurs I et Q en fonction de la fréquence réduite f x 2πRC pour n variant de 1 à 5 sections.
L'étage de sortie 19 comporte : - quatre atténuateurs variables 22, 23, 24 et
25 permettant de réaliser un contrôle distinct de l'amplitude de chacun des vecteurs de base ; avantageusement ces atténuateurs 22, 23, 24 et 25 peuvent être isolés du filtre/réseau polyphasé 21 par deux amplificateurs différentiels 26 et 27, afin de minimiser l'influence des variations de charge sur le comportement global du modulateur ;
- une sortie commune S assurant la sommation des quatre voies en quadrature ; ces quatre voies en quadrature peuvent ainsi être reliées au port commun de sortie S au travers d'étages amplificateurs tampons 30, 31, 32 et 33 suivis des capacités de sommation 34, 35, 36 et 37.
L'étage de sortie 19 peut comporter indif- féremment toute structure permettant de modifier séparément l'amplitude des vecteurs de base
(mélangeurs, amplificateurs à gain variable par exemple) .
La figure 6A représente la fonction de transfert S2l lorsque chacun des quatre vecteurs de base +1, -I, +Q et -Q est successivement sélectionné. La mesure est effectuée entre 10 MHz et 3000 MHz. La bande passante à -3 dB de chacun de ces vecteurs est de l'ordre de 30 Mhz - 1500 Mhz (soit un rapport de 50 à 1), qui est aussi la bande passante du modulateur vectoriel. Sa bande de fonctionnement pour une erreur de phase donnée (par exemple ± 5°) est légèrement inférieure (~ 80 MHz - 1300 MHz à ± 5°). La figure 6B illustre l'erreur de phase par rapport à une quadrature parfaite entre I et ±Q, ainsi qu'à une parfaite opposition de phase entre I et -I.
REFERENCES
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[2] « Advanced Technologies Pave The Way For Photonic Switches » de Rod C. Alferness (Laser Focus World, février 1995, pages 109 à 113) [3] « Wavelength-Division Multiplexing Technology In Photonic Switching » de Masahiko Fujiwara et Shuji Suzuki (« Photonic Switching and Interconnects » de Abdellatif Marrakchi, Marcel Dekker, Inc., pages 77-113) [4] « The Art Of Electronics » de Paul Horowitz et Winfield Hill (Cambridge University Press, Seconde Edition, 1989, chapitre 5 : « Filtres actifs et oscillateurs », figure 5.41) [5] « Radio Amateur' s Handbook » de Frederick Collins et Robert Hertzberg (15ème éd. rev., 1983, pages 12-8 et 12-9)

Claims

REVENDICATIONS
1. Déphaseur analogique à modulateur vectoriel, comprenant : - un étage d'entrée (18), assurant la génération d'une pseudo-base de quatre vecteurs {±1, ±Q}, et comportant un filtre polyphasé (21) ;
- un étage de sortie (19) permettant la gestion de l'amplitude des vecteurs de base, ainsi que leur recombinaison ; dans lequel l'étage d'entrée (18) comporte successivement :
- un générateur de signaux en opposition de phase (20) ; - un filtre polyphasé (21) ; caractérisé en ce que l'étage de sortie (19) comporte :
- quatre atténuateurs variables (22, 23, 24, 25) permettant de réaliser un contrôle distinct de l'amplitude de chacun des vecteurs de base ; - une sortie commune (S) assurant la sommation des quatre voies en quadrature.
2. Déphaseur selon la revendication 1, dans lequel l'étage de sortie comprend deux amplificateurs différentiels (26, 27) isolant les atténuateurs variables (22, 23, 24, 25) du filtre polyphasé (21).
3. Déphaseur selon la revendication 1, dans lequel les voies en quadrature sont reliées à la sortie commune (S) au travers d'étages amplificateurs tampons (30, 31, 32, 33), suivis chacun d'une capacité de sommation (34, 35, 36, 37).
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