FR2961644A1 - Procede de conversion et convertisseur numerique-analogique - Google Patents

Abstract

Il est proposé un procédé de conversion numérique-analogique ainsi qu'un convertisseur numérique-analogique pour convertir une suite d'échantillons numériques reçus à la fréquence des échantillons en une suite de signaux analogiques. Chaque signal analogique est généré à partir d'un échantillon numérique correspondant pendant un intervalle d'une durée donnée par l'inverse de la fréquence des échantillons. Chacun des signaux analogiques est un signal carré ayant une amplitude proportionnelle à l'échantillon numérique correspondant et une fréquence qui est un multiple entier > 1 de la fréquence des échantillons.

Description

Domaine technique [0001] La présente invention concerne un procédé de conversion numérique-analogique ainsi qu'un dispositif pour mettre ce procédé en oeuvre (c.-à-d. un convertisseur numérique-analogique). L'invention adresse plus particulièrement la mise en forme du signal analogique produit par la conversion. Etat de la technique [0002] Les convertisseurs numérique-analogique (CNA) utilisent actuellement des mises en forme de type NRZ (de l'anglais « Non-Return-to-Zero », mise en forme rectangulaire sans retour à 0 entre les différents échantillons convertis) exploitées en première zone de Nyquist. Les convertisseurs NRZ convertissent les échantillons numériques appliqués en entrée en des signaux analogiques (tensions ou courants) qui sont maintenus constants chacun pendant une durée équivalente à l'inverse de la fréquence des échantillons. A chaque fois qu'un nouvel échantillon numérique est converti, le signal analogique passe de l'ancienne immédiatement à la nouvelle valeur (c.-à-d. sans passer par 0). Un convertisseur de type RZ (de l'anglais « Return-to-Zero »), par contre, maintient le signal analogique constant pendant une première partie de l'intervalle d'échantillon et retourne à 0 pendant une deuxième partie. Plus récemment, on a développé des convertisseurs numérique-analogiques utilisant une mise en forme biphase, encore appelée mise en forme RF (pour « radiofréquence »). Ces CNA RF divisent chaque intervalle d'échantillon en deux phases : le signal analogique est maintenu constant pendant la première phase, puis est inversé à la transition de la première à la deuxième phase et ensuite maintenu constant pendant la deuxième phase. [0003] L'avantage de travailler en mode RZ ou RF, par rapport au mode NRZ, est plus d'énergie dans des zones de Nyquist plus élevées. Cet effet peut être utile dans les technologies de télécommunications, car on pourrait extraire et utiliser l'image spectrale d'ordre élevé et éviter ainsi l'un ou l'autre étage de transposition en fréquence. L'enveloppe spectrale du signal de sortie d'un CNA NRZ est celle d'une fonction sinus cardinal. La majeure partie de l'énergie se trouve ainsi dans la première zone de Nyquist. En passant au mode RZ, on peut aplatir la fonction sinus 1 2 cardinal. Toutefois, le fait de supprimer le signal pendant une partie de chaque intervalle d'échantillon atténue de manière significative l'intensité du signal en sortie du CNA RZ. Le mode RZ entraîne donc une perte d'énergie généralement indésirable. Dans le cas d'un CNA RF, l'enveloppe spectrale est décalée vers des fréquences plus élevées. A cause de l'inversion de polarité du signal dans les intervalles d'échantillonnage, l'enveloppe spectrale du signal de sortie présente son maximum global autour de la fréquence des échantillons. De plus, si les durées des première et deuxième phases mentionnées plus haut sont égales, la composante continue du signal de sortie disparaît. [0004] Un bon résumé des propriétés des modes de conversion NRZ, RZ et RF se trouve dans l'article « Multi-Mode Sub-Nyquist Rate Digital-to-Analog Conversion for Direct Waveform Synthesis » de S. Chen, N. Kim et J. Rabaey, Signal Processing Systems, 2008. SiPS 2008. IEEE Workshop, pp. 112-117. Objet de l'invention [0005] Un objet de la présente invention est de proposer un procédé de conversion numérique-analogique effectuant une mise en forme encore plus avantageuse que la mise en forme RF ainsi qu'un convertisseur pouvant mettre en oeuvre ce procédé. Description générale de l'invention [0006] Le procédé de conversion numérique-analogique selon l'invention comprenant la conversion d'une suite d'échantillons numériques reçus à une certaine fréquence, dite « fréquence des échantillons », en une suite de signaux analogiques. Chaque signal analogique est généré à partir d'un échantillon numérique correspondant pendant un intervalle d'une durée donnée par l'inverse de la fréquence d'échantillonnage. Chacun des signaux analogiques est un signal carré ayant une amplitude proportionnelle à l'échantillon numérique correspondant et une fréquence qui est un multiple entier > 1 de la fréquence des échantillons. Un avantage du procédé de conversion selon l'invention est que le signal numérique en entrée du convertisseur peut être directement transposé dans la bande de fréquence cible (donnée par la fréquence du signal carré), sans nécessairement passer par des étages de transposition en fréquence ou au moins réduire le nombre de ces étages. Grâce à l'invention on peut donc simplifier l'architecture d'émetteurs. 3 [0007] Par signal carré, on entend ici un signal analogique (c.-à-d. un courant ou une tension) qui alterne entre les valeurs +A(t) et -A(t), A(t) étant la valeur analogique encodée par l'échantillon numérique converti à l'instant t. La fréquence des alternances étant au moins deux fois plus élevée que la fréquence des échantillons (ci-après notée FcLK_data), chaque intervalle d'échantillon comprend au moins deux intervalles partiels pendant lesquels le signal analogique de sortie prend la valeur +A(t) et intervalles partiels pendant lesquels il prend la valeur -A(t). La valeur de A(t) reste constante sur chaque intervalle d'échantillon. [0008] On peut exprimer unsignal carré idéal par : +A(t)site [kTe /m,(k+a)T /m[,k=0,1,...,m-1 x(t) = -A(t)sitE[(k+a)T /m,(k+1)T /m[,k=0,1,...,m-1 où x(t) désigne le signal analogique en fonction du temps t, Te la durée de l'intervalle d'échantillon (Te=l/FcLK_data), m le multiple entier 2 définissant le rapport entre la fréquence des alternances (ci-après « fréquence des alternances ») et la fréquence des échantillons, et a le rapport cyclique (« duty cycle ») du signal carré (a étant 15 strictement compris entre 0 et 1). Le rapport cyclique a est de préférence compris dans la plage de 45 à 55 %, plus préférablement notamment dans la plage de 47 à 53 %. On favorise un signal carré essentiellement équilibré notamment parce que qu'un rapport cyclique déviant fortement de 50% fait apparaître dans le spectre une importante composante continue. 20 [0009] L'équation 1 donne une description mathématique d'un signal carré idéal, étant donné que x(t) alterne régulièrement et instantanément entre les deux niveaux +A(t) et -A(t). Dans toute implémentation pratique, on aura toujours un signal carré imparfait à cause des limitations physiques du système qui le génère. Par exemple, un signal carré réel peut présenter des suroscillations au niveau des changements 25 d'état (les passages entre les deux niveaux) ainsi que du bruit. Dans un signal carré réel, les changements d'état ne surviennent en outre pas immédiatement mais sont étalés sur une certaine durée. On parle de « temps de montée » et « temps de descente » pour désigner la durée de montée du signal de son niveau bas à son niveau haut, respectivement la durée de la descente de son niveau haut à son 30 niveau bas ou de « temps de transition » pour désigner les deux. En raison des temps de transition, un signal carré réel peut, par exemple, avoir une apparence (Eq. 1) 4 trapézoïdale (à flancs montants et descendants inclinés). Les transitions peuvent être linéaires ou de formes plus compliquées (p.ex. linéaires au milieu et arrondies au bords). Dans le contexte du présent document, le terme « signal carré » désigne donc, à chaque fois, un signal carré réel, potentiellement entaché d'imperfections, sauf s'il est mentionné un signal carré parfait ou idéal. Les temps de transition peuvent notamment occuper une partie non négligeable d'un cycle (jusqu'à 30 %, voire 40%, de la durée totale d'un cycle). [0010] Notons aussi que dans l'équation 1, on suppose qu'un flanc montant ou descendant des signaux carrés est à chaque fois synchronisé avec un début d'intervalle. Bien que cette caractéristique ne soit pas strictement nécessaire, elle présente toutefois l'avantage que les transitions entre deux valeurs A(t) encodées par des échantillons numériques successifs coïncident à chaque fois avec une transition du signal carré (l'inverse n'étant cependant pas vrai). Etant donné que dans la réalité technique les transitions ne peuvent avoir lieu instantanément, il est préférable de les aligner le plus possible pour optimiser la durée utile du signal. [0011] On note que dans le cas d'un rapport cyclique de 50 % (signal équilibré), l'expression du signal carré idéal peut être simplifié à l'aide de la fonction signe d'une sinusoïde : x(t) = A(t).sgn(sin(m.2rr.FcLK_data.t)), (Eq. 2) où l'on a repris les mêmes notations qu'avant. Dans ce cas, l'enveloppe spectrale ne possède pas de composante continue. [0012] En pratique, les signaux analogiques sont de préférence générés par conversion des échantillons numériques en des tensions ou des courants, chacune de ces tensions ou chacun de ces courants étant proportionnel à l'échantillon numérique correspondant. Le signal analogique de sortie est obtenu par inversion de ces tensions ou courants sous la commande d'un signal d'horloge réglé à la fréquence des alternances. [0013] La fréquence des alternances (égale à FcLK-data.m, notée aussi FcLK_out) est de préférence compris dans la plage de 500 MHz à 6 GHz, plus préférablement dans la 30 plage de 1 à 4 GHz. [0014] Un aspect de l'invention concerne un convertisseur numérique-analogique configuré pour la mise en oeuvre du procédé décrit. Un tel convertisseur comprend une entrée de signaux numériques pour recevoir une suite d'échantillons numériques à la fréquence des échantillons » qui sont à convertir en une suite de signaux analogiques. Le CNA génère chaque signal analogique à partir d'un échantillon numérique correspondant pendant un intervalle d'une durée donnée par l'inverse de 5 la fréquence des échantillons. Le CNA comprend un étage de conversion configuré pour produire des signaux intermédiaires (analogiques) sous forme de tensions ou courants, chacun de ces signaux intermédiaires étant proportionnel à l'échantillon numérique correspondant et maintenu essentiellement constant pendant l'intervalle. Le CNA comprend en outre un étage d'inversion configuré pour transformer chacun des signaux intermédiaires en le signal carré qui a une amplitude proportionnelle à l'échantillon numérique correspondant et une fréquence qui est un multiple entier > 1 de la fréquence des échantillons. [0015] Le CNA comprend de préférence une horloge pour fournir un signal d'horloge à une fréquence d'horloge (choisie en fonction de la fréquence des alternances souhaitée), un démultiplicateur de fréquence connecté à l'horloge et configuré pour produire un signal de fréquence des échantillons ayant une fréquence correspondant à la fréquence d'horloge divisée par ledit multiple entier > 1. Le démultiplicateur de fréquence est connecté à l'étage de conversion pour lui imposer fréquence divisée comme la fréquence des échantillons. Quant à l'étage d'inversion, celui-ci est connecté à l'horloge pour recevoir le signal d'horloge. Il est configuré pour invertir les signaux intermédiaires sous la commande du signal d'horloge. [0016] L'étage de conversion comprend de préférence une batterie de sources de courant configurées pour générer des courants pondérés (p.ex. selon une progression géométrique de raison '/2 pour une structure « pondérée binaire », ou de poids égaux pour une structure « code thermomètre ») et une batterie de commutateurs commandés à la fréquence des échantillons pour additionner les courants pondérés en fonction des échantillons numériques. La batterie de sources de courant peut par exemple être réalisée par un réseau R-2R, un réseau R-2R à échelle inversée, un réseau de sources thermomètre, ou un réseau « hybride » dans lequel des sources de courant sont associées en réseau(x) R-2R et en réseau thermomètre). [0017] L'étage d'inversion comprend de préférence un banc de commutateurs commandés par le signal d'horloge. 6 [0018] Le signal d'horloge est avantageusement un signal carré présentant un rapport cyclique compris dans la plage de 45 à 55 %, de préférence dans la plage de 47 à 53 %. Plus préférablement encore, le rapport cyclique est de 50%. [0019] Le CNA est de préférence suivi par un filtre passe-bande, centré sur une des 5 zones Nyquist (2m et 2m+1) directement adjacentes au maximum global de l'enveloppe spectrale, pour filtrer le signal analogique produit par le CNA. [0020] Avec le CNA selon l'invention, on peut exploiter la fréquence centrale du signal carré en sortie non pas pour augmenter le rythme des données mais pour décaler le spectre utile de la bande de base à la fréquence des alternances. En 10 d'autres mots, le CNA peut convertir des signaux numériques en bande de base vers les fréquences RF. On peut utiliser cette propriété pour simplifier l'architecture d'émetteurs, dans lesquels on pourrait être en mesure de supprimer un ou plusieurs étages de transposition en fréquence grâce à l'invention. [0021] Les applications envisageables de l'invention sont multiples. Elle pourra 15 notamment servir dans un Processeur Numérique Transparent (PNT) dans le domaine des télécommunications spatiales. Son application peut s'étendre à toute transmission analogique en RF ou IF d'un signal généré numériquement, par exemple dans les domaines TM/TC, TMHD, ainsi que dans les transmissions sol. Brève description des dessins 20 [0022] D'autres particularités et caractéristiques de l'invention ressortiront de la description détaillée d'un mode de réalisation avantageux présenté ci-dessous, à titre d'illustration, avec référence aux dessins annexés. Ceux-ci montrent: Fig. 1: un schéma de principe d'un convertisseur numérique-analogique selon un mode de réalisation préféré de l'invention ; 25 Fig. 2: un schéma illustrant la mise en forme du signal analogique ; Fig. 3: une représentation de synthèse des spectres obtenus pour différentes mises en forme. Description d'une exécution préférée [0023] La fig. 1 montre le schéma de principe d'un CNA 10 configuré pour la mise 30 en oeuvre du procédé de l'invention. Le CNA 10 comprend un étage de conversion 7 12 produisant un signal analogique intermédiaire (un courant noté 1(t)) et un étage d'inversion 14 effectuant la mise en forme du signal analogique de sortie. Le signal analogique de sortie se présente ici comme la tension différentielle Vout(t) entre les bornes de l'impédance de charge ZL. [0024] L'étage de conversion 12 comprend un registre binaire 16 avec une entrée 18 de signaux numériques sur N bits. Chaque échantillon numérique est déterminé par l'ensemble des valeurs binaires [Mt), D2(t), ..., DN(t). Les valeurs binaires sont écrites dans les cases respectives du registre binaire 16 à la fréquence des échantillons fournie par le signal CLK-data. L'étage de conversion 12 comprend une batterie de N sources de courant 20 générant des courants h, 12, ..., IN pondérés selon les poids des différents bits des signaux numériques, c.-à-d. selon une progression géométrique de raison : IN = 2 IN_1 = ... = 2N' 1l. Chaque source de courant pondéré 20 peut être raccordée à un noeud intermédiaire 22, en sortie de l'étage de conversion, au moyen d'un commutateur 24 respectif d'une batterie de commutateurs commandés par le registre binaire 16. Le signal analogique intermédiaire I(t) sur le noeud 22 correspond ainsi à la somme des courants passant par les commutateurs 24 fermés. On a donc I(t)=DI(t) 1~+ D2(t) 12+...+ DN(t) IN, où les valeurs [Mt), D2(t), ..., DN(t) sont 0 ou 1. [0025] L'étage d'inversion 14 comprend un réseau de commutateurs SI, S2, S3 et S4 configuré pour commuter le signal intermédiaire I(t) en alternance sur une première 26 et une seconde 28 borne de sortie. Lorsque la première borne 26 est connectée au noeud intermédiaire 22 par le commutateur SI, la seconde borne 28 est connectée à la masse par le commutateur S2 et les commutateurs S3 et S4 sont ouverts. Pareillement, si la seconde borne 28 est connectée au noeud intermédiaire par le commutateur S3, la première borne 26 est connectée à la masse par le commutateur S4 et les commutateurs SI et S2 sont ouverts. Les commutateurs SI, S2, S3 et S4 sont contrôlés par l'horloge 30 au moyen d'un signal d'horloge CLK-out. [0026] La fig. 2 illustre de manière qualitative la mise en forme des signaux analogiques. L'horloge du CNA produit le signal d'horloge maître CLK-out, montré en haut de la fig. 2. Le CNA comprend un démultiplicateur de fréquence 32 pour dériver du signal d'horloge maître CLK-out un signal d'horloge auxiliaire CLK-data déterminant la fréquence des échantillons. La fréquence des échantillons correspond à la fréquence d'horloge maître divisée par un nombre entier m, avec m >_ 2. Dans le 8 cas de la fig. 2, le rapport entre la fréquence d'horloge et la fréquence des échantillons vaut 3 (m=3). [0027] Le registre binaire 16 est commandé par le signal d'horloge auxiliaire CLK-data. Un nouvel échantillon numérique appliqué en entrée est inscrit dans le registre à chaque flanc montant du signal d'horloge auxiliaire CLK-data. Les commutateurs 24 de courants pondérés commutent essentiellement aux mêmes instants, en fonction de l'échantillon numérique chargé dans le registre binaire 16. Les commutateurs 24 restent en position pendant essentiellement toute la durée Te d'un intervalle d'échantillon. Le courant I(t) sur le noeud intermédiaire 22 est donc maintenu essentiellement constant entre les transitions qui coïncident avec le début, respectivement la fin de chaque intervalle d'échantillon. [0028] Les commutateurs SI, S2, S3 et S4 de l'étage d'inversion 14 sont commandés directement par le signal d'horloge maître CLK-out. Les commutateurs SI et S2 sont configurés de manière à se fermer lorsque CLK-out est « haut » et à s'ouvrir lorsque CLK-out est « bas ». Par contre, les commutateurs S3 et S4 s'ouvrent lorsque CLK-out est « haut » et se ferment lorsque CLK-out est « bas ». Le signal analogique (ici la tension différentielle VoUt(t)) résultant entre les bornes de sortie 26, 28 est représenté en bas de la fig. 2. On note que sur chaque intervalle d'échantillon, le signal analogique de sortie est un signal carré dont l'amplitude est proportionnelle à l'échantillon numérique correspondant et dont la fréquence égale m fois la fréquence des échantillons FOLK-data. Dans l'exemple de la fig. 2, on a choisi un signal d'horloge maître équilibré, c.-à-d. ayant un rapport cyclique de 50 %. [0029] La fig. 3 montre une synthèse des enveloppes spectrales obtenues pour les rapports m = 2 (courbe discontinue à traits courts 34), m = 4 (courbe discontinue à traits courts en alternance avec des points 36) et m = 8 (courbe pointillée 38) entre la fréquence des alternances en sortie du CNA et la fréquence des échantillons numérique en entrée. Pour permettre la comparaison, la fig. 3 montre aussi les cas des mises en forme NRZ (courbe continue 40) et biphase ou RF (courbe pointillée 42). Les indications sur l'axe des abscisses sont en GHz ; l'axe des ordonnées indique la puissance spectrale en dB. [0030] Dans l'exemple montré, la fréquence d'horloge maître et donc la fréquence centrale du signal analogique de sortie est de 2,56 GHz. La fréquence des 9 échantillons, correspondant à la fréquence d'horloge maître divisée par m, varie entre les différentes courbes 34, 36 et 38. [0031] Les zones de Nyquist à utiliser de préférence avec les différentes mises en forme sont indiquées de manière approximative en bas de la figure 3. Avec les mises en forme NRZ et biphase, on travaille de préférence dans la première, respectivement la deuxième zone de Nyquist. Avec les mises en forme selon l'invention, le maximum de l'énergie spectrale se trouve dans des zones de Nyquist bien plus élevées. Dans le cas m = 2, on utilise de préférence la quatrième ou la cinquième zone de Nyquist ; avec m = 4, la huitième ou la neuvième et avec m = 8, ~o la seizième ou la dix-septième. De manière générale, les zones de Nyquist préférées sont donc les zones 2m ou 2m+1.

Claims (10)

1. REVENDICATIONS1. Procédé de conversion numérique-analogique comprenant la conversion d'une suite d'échantillons numériques reçus à une fréquence des échantillons en une suite de signaux analogiques, chaque signal analogique étant généré à partir d'un échantillon numérique correspondant pendant un intervalle d'une durée donnée par l'inverse de la fréquence d'échantillonnage ; caractérisé en ce que les signaux analogiques sont chacun un signal carré ayant une amplitude proportionnelle à l'échantillon numérique correspondant et une fréquence qui est un multiple entier > 1 de la fréquence des échantillons.
2. 2. Procédé de conversion numérique-analogique selon la revendication 1, dans lequel les signaux analogiques sont générés par conversion des échantillons numériques en des tensions ou des courants, chacune de ces tensions ou chacun de ces courants étant proportionnel à l'échantillon numérique correspondant, et par inversion de ces tensions ou courants sous la commande d'un signal d'horloge ayant la même fréquence que le signal carré.
3. 3. Procédé de conversion numérique-analogique selon la revendication 1 ou 2, dans lequel un flanc montant ou descendant des signaux carrés est à chaque fois synchronisé avec un début d'intervalle.
4. 4. Procédé de conversion numérique-analogique selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel le signal carré présente un rapport cyclique compris dans la plage de 45 à 55 %, de préférence dans la plage de 47 à 53%.
5. 5. Procédé de conversion numérique-analogique selon la revendication 4, dans lequel le signal carré présente un rapport cyclique de 50 %.
6. 6. Convertisseur numérique-analogique (10) comprenant une entrée de signaux numériques (18) pour recevoir une suite d'échantillons numériques à une fréquence des échantillons et pour les convertir en une suite de signaux analogiques, le convertisseur numérique-analogique (10) étant configuré pour générer chaque signal analogique à partir d'un échantillon numérique 10correspondant pendant un intervalle d'une durée donnée par l'inverse de la fréquence des échantillons, le convertisseur numérique-analogique (10) étant caractérisé par un étage de conversion (12) configuré pour produire des signaux intermédiaires sous forme de tensions ou courants, chacun de ces signaux intermédiaires étant proportionnel à l'échantillon numérique correspondant et maintenu essentiellement constant pendant ledit intervalle, et un étage d'inversion (14) configuré pour transformer chacun desdits signaux intermédiaires en un signal carré ayant une amplitude proportionnelle à l'échantillon numérique correspondant et une fréquence qui est un multiple entier > 1 de la fréquence des échantillons.
7. 7. Convertisseur numérique-analogique (10) selon la revendication 6, comprenant une horloge (30) configurée pour fournir un signal d'horloge (CLK-out) à une fréquence d'horloge, un démultiplicateur de fréquence (32) connecté à ladite horloge (30) et configuré pour produire un signal de fréquence des échantillons (CLK-data) ayant une fréquence correspondant à la fréquence d'horloge divisée par ledit multiple entier > 1, ledit démultiplicateur de fréquence (32) étant connecté à l'étage de conversion (12) pour imposer à celui-ci la fréquence des échantillons, l'étage d'inversion étant connecté à l'horloge (30) pour recevoir ledit signal d'horloge (CLK-out) et configuré pour invertir lesdits signaux intermédiaires sous la commande du signal d'horloge (FcLK_out).
8. 8. Convertisseur numérique-analogique (10) selon la revendication 7, dans lequel ledit étage de conversion (12) comprend une batterie de sources de courant (20) configurées pour générer des courants pondérés, une batterie de commutateurs (24) commandés à la fréquence des échantillons pour additionner lesdits courants pondérés en fonction des échantillons numériques.
9. 9. Convertisseur numérique-analogique selon la revendication 7 ou 8, dans lequel l'étage d'inversion (14) comprend un banc de commutateurs (SI, S2, S3, S4) commandés par le signal d'horloge (CLK-data).
10. 10. Convertisseur numérique-analogique (10) selon l'une quelconque des revendications 7 à 9, dans lequel ledit signal d'horloge (CLK-data) est un signal carré présentant un rapport cyclique compris dans la plage de 45 à 55 %, de préférence dans la plage de 47 à 53 %.