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SYSTEMES DE DEMODULATION D'UNE ONDE PORTEUSE MODULEE
EN FREQUENCE OU EN PHASE.
La présente invention se rapporte à des systèmes de démodulation d'une onde porteuse modulée en fréquence ou en phase.
Elle a notamment pour objet la constitution de dispositions du type cité, en vue de tenir compte de façon efficace de faibles amplitudes de modulation de fréquence ou de phase dont les mon- tages discriminateurs connus de fréquence ou de phase ne tiennent pas compte.
L'invention est particulièrement applicable aux sys- tèmes radiogoniométriques du type suivant lequel un relèvement est déterminé par l'utilisation d'une modulation de fréquence ou de phase.
Sous leur aspect le plus large, les dispositions de démodulation d'une onde porteuse modulée en fréquence ou en phase conformes à certaines caractéristiques de l'invention comportent
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des moyens de transfert de la modulation en phase de l'onde à une onde porteuse de fréquence stable et un montage discrimina- teur de fréquence ou de phase, de type connu, établi en vue de fonctionner à ladite fréquence stable.
Dans la mise en oeuvre de l'invention, les constan- tes du montage sont choisies suivant l'amplitude de la modulation de fréquence ou de phase et également suivant la fréquence et la forme d'onde de l'onde modulatrice.
Les dispositions conformes à certaines caractéristi- ques de l'invention présentent un certain nombre d'avantages par rapport aux dispositions connues et, dans certains cas, elles fournissent une méthode de démodulation d'onde de forme telle qu'elle ne peut être traitée par les dispositions connues.
Certains des avantages des dispositions de l'inven- tion sont les suivants: (1) Ces dispositions ne donnent pas la réponse "négative - positive - négative", avec l'accord, du discrimina- teur classique. Lorsqu'elles sont appliquées à un récepteur à modulation de fréquence, l'accord dudit récepteur se fait de la même manière que l'accord d'un récepteur de modulation d'ampli- tude sur une émission modulée en amplitude.
(2) Ces dispositions sont efficaces et peuvent être rendues aussi sensibles qu'on le désire à des taux de modulation très faibles. Ceci est particulièrement important lorsque des considérations de stabilité de fréquence et de facilité d'accord du récepteur imposant la condition de démoduler un signal à mo- dulation faible, mais contenu à. une fréquence inconnue, dans une large bande de fréquences.
(3) L'effet de la modulation de fréquence sur une certaine fréquence peut être supprimé, ou favorisé avant la dé- modulation.
(4) Les dispositions en question constituent une méthode très efficace de démodulation de formes d'ondes modulées
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en phase, comportant des transitoires brusques. Une application particulière est constituée par le cas où le signal "saute", d' un angle de phase inconnu, à des instants de récurrence connus.
(5) Dans une application particulière à la radio- goniométrie qui sera décrite ci-après, les dispositions en ques- tion sont employées pour recueillir les renseignements essentiels à partir d'un signal sans ambiguïté, bien que ledit signal puisse être commuté suivant des sauts de phase de valeur quelconque, pouvant dépasser 360 degrés. (L'ambiguité, ou la doute sont évi- tés grâce à la "mémoire" d'un "saut" jusqu'à ce que se produise le saut suivant jointe à là notion que le taux de variation du "saut" ne peut dépasser une certaine valeur).
(6) Comme un discriminateur de système normal a un accord fixe et est toujours actionné par un signal à fréquence fixe, l'accord du signal original, lorsqu'on emploie les dispo- sitions de la présente invention, ne produit aucune erreur d'ac- cord du discriminateur.
Lorsqu'on transfère la modulation de phase de l'onde fréquence intermédiaire d'un radio-récepteur à une onde dont la fréquence varie avec l'accord du récepteur, il est nécessaire d' éviter de telles variations de fréquence sur la nouvelle onde por- teuse fixe. En conséquence, la modulation de phase est différen- tiée au cours du transfert, les constantes de la différentiation étant choisies suivant le problème particulier traité, de manière à ce que les variations de fréquence fixes ne soient pas transfé- rées, si ce n'est comme variations de fréquence fixes.
L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description suivante et à l'examen des dessins joints qui en re- présentent schématiquement, à titre d'exemple non limitatif, un mode de réalisation.
La figure 1 représente symboliquement, à l'aide de rectangles, des dispositions conformes à certaines caractéristi- ques de l'invention.
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La figure 2 est un diagramme explicatif auquel on se référera au cours de la description.
La figure 3 représente schématiquement un type connu de discriminateur de fréquence ou de phase.
A la figure 1, le rectangle 1 représente la source de signal modulé en fréquence à la fréquence f. Le rectangle 2 re- présente un oscillateur à fréquence fixe, à la fréquence F. Le rectangle 3 représente un premier modulateur, ou détecteur, don- nant à sa sortie une fréquence-somme F + f et une fréquence- différence f - F. , Le rectangle 4 représente un filtre qui sélec- tionne et laisse passer soit (f - F) soit (f + F). L'énergie de sortie dudit filtre est transmise à un second modulateur représen- té par le bloc 5, en même temps qu'un signal parvenant directement de la source 1.
Le second démodulateur 5 donne des fréquences-sommes et des fréquences-différences de sortie, parmi lesquelles on trou- ve soit (f - F) - f = - F (quand le filtre 4 sélectionne f - F), soit (f + F) - f = F (quand le filtre 4 sélectionne (f + F).
L'énergie de sortie du second démodulateur 5 à la fré- quence F est sélectionnée dans le filtre représenté par le rec- tangle 6. Il est à noter que le filtre 4 ne doit sélectionner qu'une seule des bandes latérales, soit (f - F), soit (f + F), car le sens de la modulation de phase, à la sortie de 5, à la fré- quence F, dépend de celle des bandes latérales qui a été sélec- tionnée. Le passage des deux bandes latérales produirait une in- teraction entre les deux types d'énergie de sortie et une modula- tion d'amplitude profonde du signal combiné.
L'énergie de sortie du filtre 6 est appliquée au dis- criminateur de fréquence représenté par le rectangle 7 appareil de forme connue fournissant une onde à basse fréquence correspon- dant à la modulation de fréquence du signal original de 1, comme on va le voir ci-après. La modulation de fréquence du signal f
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de 1 est maintenue sur la bande latérale (par exemple f + F) que laisse passer le filtre 4. Si alors les temps de transit du signal entre 1 et le second démodulateur 5 .(;par la voie P, pas- @ sant par 3 et 4 et par la voie directe Q) sont égaux, ou négli- geables, la modulation de fréquence des deux signaux appliqués au modulateur 5 est identique et exactement en phase. Dans ce cas, la fréquence de battements F dans le filtre 6 ne sera pas modulée.
Si, au contraire, la différence des temps de transit par les voies P et Q est perceptible, les deux signaux d'entrée en 5 auront des modulations de fréquence déphasées et la'fréquen- ce instantanée appliquée au filtre 6 diffèrera de F de la diffé- rence de fréquence résultant du déphasage des deux énergies d! entrée en 5.
La différence des temps de transit du signal par les voies P et Q est, de préférence, obtenue simplement par l'utili- sation d'un filtre convenable 4 qui introduit par définition un retard dans la voie P. Un filtre passe-bande constitue le réseau à retardement le plus efficace et pourtant un des plus simples susceptible d'être employé dans un grand nombre d'utilisations pratiques et on l'établit de manière à ce qu'il présente une ca- ractéristique linéaire de fréquence en fonction de la différence de déphasage.
On examinera ci-après un exemple pratique d'établis- sement de filtres.
On suppose que le rectangle 1 représente le signal à fréquence intermédiaire d'un récepteur connu comme étant à 10 mégapériodes/seconde + 50 kilopériodes/seconde, la stabilité de fréquence et d'autres facteurs imposant une largeur de bande mini- mum de 100 kilopériodes/seconde.
On suppose également qu'on sait que le signal porte une modulation sinusoidale de fréquence d'amplitude faible, par exemple de 2. 000 périodes/seconde à une fréquence connue de 10.000
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périodes/seconde.
Une telle modulation de fréquence sera favorisée au maximum par l'utilisation d'un filtre 4 ayant un temps de tran- sit de 1/20.000 seconde, quand la modulation de fréquence des deux énergies d'entrée du modulateur 5 sera exactement en oppo- sition de phase.
L'énergie de sortie de 5 aura alors exactement une am- plitude de variation de fréquence double de celle du signal ori- ginal de 1, c'est-à-dire que sa modulation de fréquence se produi- ra à 10. 000 périodes/seconde avec une variation de 4.000 périodes/ seconde.
Si F est la fréquence de l'oscillateur 2, égale à 1 mégapériode/seconde, le filtre 4 doit alors couvrir 9 mégapério- des/seconde + 50 périodes/seconde. Si le filtre 4 est constitué par n circuits accordés couplés ensemble en cascade, de manière à donner une caractéristique passe-bande de largeur de bande égale à 100 kilopériodes/seconde, la caractéristique de distor- sion de phase sera pratiquement linéaire sur toute la bande pas- sante et elle aura une pente de #/2.n radians pour 100 kilopério- des, c'est-à-dire #/2.n x 10 radians/mégapériodes.
Le retard, ou le temps de transit, sera donc de
5 n/2 secondes.
Le retard nécessaire = 1/20000 sec. = 50 sec. d'où @n = 20.
C'est-à-dire que le filtre 4 doit comporter 20 cir- cuits accordés et que le couplage et les terminaisons doivent être tels que la largeur de bande soit de 100 Kp/sec.
L'énergie de sortie du filtre 6 est, bien entendu, à
1 Mp/s. Pour obtenir la réponse à la modulation de fréquence à
10 Kp/s., la largeur de bande doit être de 20 Kp, largeur de ban- de sur laquelle le discriminateur 7 peut déceler de façon effica- ce une amplitude de variation de 4.000 périodes/seconde.
Si l'on avait désiré supprimer complètement la modula-
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tion à 10 Kilopériodes, en démodulant les fréquences inférieures, le retard aurait dû être de 1/10 de milliseconde, supprimant tou- te modulation à 10 kilopériodes.
La démodulation d'un signal dont la phase est soumise à une commutation, sous forme de bonds brusques de phase va main- tenant être discutée.
Avec les formes connues de discriminateurs de phase, par exemple avec celle représentée à la figure 3, le signal est appliqué, à travers le transformateur 8, par une voie Pl, au mon- tage en parallèle des deux détecteurs D1. D2. et, par une autre , voie P2, de temps de transit différents, représentés par le rec- tangle 9 correspondant à un réseau à retardement, ou à un filtre, au montage en push-pull des deux détecteurs D1. D2. Il est de plus prévu qu'en l'absence de modulation, les phases des énergies de sortie des deux voies sont en quadrature, de telle sorte que chaque détecteur reçoit une énergie vectorielle d'entrée égale et que l'énergie de sortie différentielle des détecteurs D1. D2. est nulle.
Un tel discriminateur de phases à deux défauts impor- tants, comme démodulateur d'un signal à phase commutée.
(1) L'énergie différentielle de sortie des détecteurs D1. D. est convenablement linéaire pour des bonds de phase supé- rieurs à ¯ 70 , mais elle atteint un maximum pour + 90 . Après cette valeur de phase, la commutation à la sortie est réduite jusqu'à ce que, pour 180 de déphasage, les sauts dans le signal .différentiel de sortie s'annulent. Le dispositif n'est donc pas un démodulateur convenable de sauts de phase, quand les dits sauts dépassent 70 à 90 .
(2) Si la fréquence exacte du signal n'est pas con- nue, la différence de retard entre les deux voies du discrimina- teur P1. P2 conduit à une relation de phase inconnue entre les énergies appliquées en parallèle et en push-pull aux deux détec- teurs D1. D2. Pour que le discriminateur soit sensible, la diffé- rence de temps'de retardement doit être appréciable et cette con-
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dition pose le problème d'un accord très précis, pour assurer le quadrature de phase en cas de modulation nulle. Le système n'est pas pratique dans le cas de la démodulation d'ondes à fréquence intermédiaire reçues avec commutation de phase, particulièrement lorsque la fréquence de commutation est faible par rapport à la largeur de bande du récepteur.
On va montrer maintenant que les dispositions con- formes à certaines caractéristiques de l'invention sont suscep- tibles de remédier à chacun des défauts ci-dessus. Lorsqu'on transfère la commutation de phase d'une fréquence intermédiaire instable à une fréquence fixe stable, on peut choisir les con- stantes du montage de manière à "comprimer" les grands sauts de phase à des valeurs susceptibles d'être traitées par le diserimi- nateur normal et, d'autre part, comme les sauts réduits sont as- sociés à une fréquence porteuse constante et connue, la diffi- culté d'accord du discriminateur suivant ne se présente pas.
Pour expliquer cet usage du démodulateur, on prendra comme exemple un problème particulier qui se produit en pratique dans la démodulation des signaux rayonnés à partir de la radio- balise omni-directionnelle à commutation de phase décrite dans'notre navigation radioélectrique", brevet du 11 Sept.1947 pour"Systèmes de @ et également dans la démodulation des signaux dans le récepteur d'un radiogonio- mètre automatique décrit à la même demande.
A ladite demande citée, il est décrit un système de radio-navigation dans lequel on produit au récepteur une modula- tion de fréquence ou de phase des ondes électromagnétiques trans- mises, de sorte que la technique de modulation de fréquence ou de phase peut être employée au dit récepteur en vue d'en tirer les avantages. A cet effet, la modulation de fréquence ou de phase peut être effectuée à l'émetteur ou au récepteur, par commuta- tion d'un certain nombre d'antennes, situées en des points dif- férents de l'espace.
Ainsi, quand la balise émettrice comprend un certain nombre d'antennes de positions géographiques différen-
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tes, commutées de façon cyclique et successive et alimentées, pendant leurs périodes d'émission au moyen d'énergie en phase, un récepteur employant une antenne unique reçoit des ondes dont la phase saute par degrés. De même, un récepteur employant une antenne, ou un système d'antennes, commutée de façon analogue, recevra d'une balise émettrice omni-directionnelle une onde mo- dulée en phase analogue. Pour plus de détails on peut se repor- ter à la demande de brevet citée. Il suffit d'indiquer ici qué l'onde modulée en phase est employée à l'obtention du renseigne- ment de radio-navigation désiré.
Si l'on se reporte à la figure 2 des dessins ci- joints, on suppose qu'un système de radio-balise, ou de radio- goniomètre comporte huit antennes, disposées en cercle, en des points correspondants aux points cardinaux du compas, le diamètre du cercle étant égal à une longueur d'onde de l'onde émise ou reçue.
Comme système radiogoniométrique, le récepteur est commuté, au moyen d'organes de commutation électroniques, à cha- que antenne à tour de rôle et les ondes reçues soumises à une commutation de phase, sous forme de bonds brusques, conformément à l'espacement des antennes adjacentes et à la direction des on- des arrivantes. Les variations maxima instantanées de phase se produisent quand les ondes re-ues se propagent en ligne droite avec une paire d'antennes adjacentes, par exemple si le signal arrive de la direction NNE. La commutation dans le sens des ai- guilles d'une montre produit alors une avance de phase entre les antennes W et NW, égale à la dimension W / NW, exprimée en frac- tion de /1,,la longueur d'onde de fonctionnement et un retard de phase égal entre les antennes SE et E.
Mais, comme les antennes adjacentes sont espacées de 0,38 , le bond maximum de phase est de 137 degrés. Cette va- leur de bond de phase est, bien entendu, relativement élevée pour la discrimination, par un discriminateur normal qui, pour un tel
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bond de phase donnerait en réalité une énergie de sortie moindre que pour un bond de phase de 45 . Ainsi, la démodulation par le discriminateur normal ne peut reproduire le diagramme de phase correct sans perte très sérieuse d'énergie débitée et sans dis- torsion sérieuse de la forme d'onde.
On va maintenant démontrer que les vitesses pratiques de commutation produisent également une difficulté sérieuse dans le cas du discriminateur normal.
On suppose que le système de balise ou de radio- goniomètre fonctionne à 100 Mp/s. de fréquence porteuse. Un ré- cepteur normal fonctionnant à une telle fréquence a une largeur de bandepassante de l'ordre de 100 Kp/s., ce minimum étant impo- sé par des questions de stabilité de fréquence, de facilité d' accord, etc...
Un tel récepteur a un temps de réponse aux transi- toires d'environ 10 microsecondes et l'impulsion d'onde porteuse la plus courte susceptible de traverser ledit récepteur sans y subir un allongement considérable a une durée de 20 microsecondes.
Si l'on désire recevoir une succession d'impulsions relativement rectangulaires provenant d'antennes différentes, sans mélange ap- préciable par suite de l'allongement dans le récepteur, le temps pendant lequel ledit récepteur est connecté à chaque antenne, doit être plusieurs fois supérieur à 20 microsecondes, par exemple, de 60 microsecondes. Comme il y a 8 antennes, un cycle de commuta- tion complet aura lieu en 480 microsecondes. Ceci signifie que la vitesse de rotation effective est d'environ 2.000 périodes/ seconde,
L'amplitude totale de variation de phase est de 360 degrés (diamètre: # ) de sorte que si celle-ci est sinusoïdale,, il est appliqué au dessus du signal une modulation de fréquence à 2.000 périodes/seconde ayant une amplitude de variation de 2.000 périodes.
Il est donc évident que le discriminateur de fréquence normal (sans tenir compte des difficultés dues aux bonds subits
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de fréquence), ne pourra fournir une amplitude de sortie conve- nable, étant donné la largeur de bande nécessaire de 100 Kp/s.
Si l'on se reporte de nouveau à la figure 1, on peut considérer la source 1 comme la fréquence intermédiaire d'un ré- cepteur super-hétérodyne normal de fréquence moyenne de 10 méga- périodes/seconde et de largeur de bande de 100 kilopériodes/se- conde. Les ondes à fréquence intermédiaire sont appliquées au changeur de fréquence, ou modulateur 3, l'oscillation locale né- cessaire étant appliquée par 2 à 1 Mp/s.
On accorde alors le filtre 4 pour sélectionner la fréquence de battements à 9 Mp. Ledit filtre a une largeur de bande passante de 100 Kp/s et un retardement de 60 microsecondes, correspondant à l'intervalle séparant les instants de connexion de deux antennes successives.
L'utilisation de ce temps de retardement précis ga- rantit que les impulsions de signal de 60 microsecondes, qui sont adjacentes dans le temps en 1 arrivent simultanément au modula- teur 5 par les deux voies P et Q.
Après mélange des ondes des deux voies P et Q dans le modulateur 5, la phase de l'énergie de sortie à une mégapério- de appliquée au filtre 6, qui est déterminée par le déphasage re- latif des deux énergies d'entrée à 10 Mp (Q) et à 9 Mp (P) est alors modifiée pour chaque paire d'impulsions reçues. La valeur du bond de phase dans le filtre 6 est, en fait, égale à'la diffé- rence des bonds de phase dans les deux énergies d'entrée en 5.
Cette différence de variation de phase est, bien entendu, égale à la différence entre deux bonds successifs de la modulation ori- ginale 'du signal.
Les effets de ces opérations sont les suivants.
(a) le transfert de la modulation de phase des ondes reçues (sous forme modifiée) à la fréquence constante de 1 méga- période d'onde porteuse.
(b) une certaine compression de l'amplitude moyenne
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des bonds de phase.
Dans les ondes reçues à l'origine, le bond maximum de phase pour le système d'antennes de la figure 2 était de 137 .
Dans l'onde modifiée, telle qu'elle apparaît au fil- tre 6, le nouveau bond maximum correspond aux ondes reçues du Nord vrai, quand les antennes NW, N et NE sont successivement con- nectées au récepteur.
Le bond de phase de NW à N = NP (figure 2) = 0,146A= 52,5 degrés.
Bond de phase de N à NE = - 52,5 degrés.
Différence de bonds de phase reçus au filtre 6 = 105 degrés.
Après limitation d'amplitude des ondes par le modula- teur 5 ou par un modulateur séparé, les nouvelles ondes modulées en phase, à fréquence fixe de 1 Mp/s sont démodulées par le dis- criminateur F puis, ayant à traiter un bond maximum de phase de 105 degrés, reproduit avec une fidélité admissible, une onde à basse fréquence dont les bonds d'amplitude correspondent aux bonds de phase appliqués.
L'idéal pour le discriminateur E serait le type re- présenté à la figure 3.
La plus grande efficacité de démodulation est obtenue quand le filtre à retardement 9 a un temps de retardement de 60 microsecondes, la tension de sortie étant toujours une mesure du dernier bond de phase reçu. Il est, bien entendu, nécessaire que la mise en phase des énergies d'entrée en push-pull et en paral- lèle des deux détecteurs diffère de 90 , lorsqu'on reçoit un signal non modulé de 1 Mp/s.
Quand le temps de retardement du filtre 9 est, par exemple, de 20 microsecondes seulement, la tension de sortie est sous forme d'impulsions de 20 microsecondes, de sens et d'ampli- tude correspondant aux bonds de phase appliqués.
De simples formes de discriminateurs de fréquence peu-
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vent être utilisées en ce point, par exemple le discriminateur à circuits à accords étagés. Toutes les formes de discrimina- teurs donnent une énergie de sortie à basse fréquence dont la fondamentale à 2.000 périodes (vitesse périodique de commutation) peut être filtrée. La phase de cette énergie de sortie à 2.000 périodes tourne toujours avec le relèvement du signal et elle peut être utilisée pour donner une indication automatique dudit relèvement, comme, par exemple, décrit dans les deux demandes de brevets citées au début de la présente description.
Si la balise, ou le système radiogoniométrique de- vaient utiliser un nombre plus grand d'antennes, on pourrait aug- menter considérablement l'espacement entre antennes adjacentes.
Par exemple, dans un système à 32 antennes, les antennes adjacen- tes pourraient être espacées de plus de /\ les bonds de phase du signal original pouvant alors dépasser + 360 . Néanmoins, le démodulateur oonforme à certaines caractéristiques de l'invention est toujours susceptible de démoduler un tel signal sans ambi- guité, car le taux de variation des bonds ne dépasse jamais 90 .
Bien que l'invention ait été ci-dessus décrite dans son application aux systèmes de radio-navigation, ladite descrip- tion n'a été faite qu'à titre d'exemple non limitatif et de mul- tiples autres applications se présenteront naturellement à l'es- prit des techniciens.