Procédé et dispositif électronique de décalage fréquentiel d'un signal analogique, en particulier pour la téléphonie mobile.

La présente invention concerne le traitement du signal, et plus particulièrement le traitement d'un signal radio fréquence en vue d' abaisser sa fréquence.

L 'invention s ' applique avantageusement mais non limitativement aux appareils de téléphonie mobile.

L 'élaboration d'un appareil capable de traiter les informations contenues dans un signal radio fréquence de façon totalement numérique est un sujet d' actualité dans le secteur des télécommunications. Le but est de minimiser le nombre de composants et à rapprocher ainsi le moyen de traitement numérique, généralement un processeur de traitement numérique du signal (DSP), de l' antenne radio fréquence afin de minimiser coûts et consommation. Cependant, les opérations de démodulation de la porteuse et de traitement de base du signal, tel qu' additions et multiplications entre signaux peuvent rapidement saturer les capacités de traitement des processeurs de traitement numérique du signal actuels lorsque l' on considère un signal radiofréquence et une quantité non négligeable de données à traiter.

Selon un aspect, il est proposé un dispositif électronique de décalage fréquentiel, comprenant une entrée pour recevoir un signal analogique d' entrée ayant une première fréquence, des moyens d' échantillonnage aptes à délivrer des échantillons analogiques du signal d'entrée, des premiers moyens de traitement aptes à effectuer un traitement de transformée de Fourier discrète sur les échantillons du signal et à délivrer des premiers échantillons intermédiaires, des deuxièmes moyens de traitement aptes à effectuer une modification de la répartition spectrale des premiers échantillons intermédiaires et à délivrer des deuxièmes échantillons intermédiaires, et des troisièmes moyens de traitement aptes à effectuer un traitement de transformée de Fourier discrète inverse sur les deuxièmes échantillons intermédiaires

et à délivrer des échantillons analogiques d'un signal de sortie ayant une deuxième fréquence plus faible que la première fréquence.

En d' autres termes, selon cet aspect on effectue un prétraitement du signal en analogique qui permet d' abaisser la fréquence de travail afin de pouvoir revenir à des conditions favorables pour une approche numérique par l'utilisation d'un processeur de traitement numérique du signal.

Une telle solution confère une rapidité et une économie de puissance consommée, particulièrement intéressante dans les applications de téléphonie mobile.

Cet exemple de prétraitement est basé ici sur des échantillons qui sont non pas des bits mais des échantillons analogiques tels que des échantillons de tension, ce qui permet de mettre en œuvre une transformée de Fourier discrète. Les deuxièmes moyens de traitement peuvent être aptes à effectuer par exemple une translation fréquentielle sur les premiers échantillons intermédiaires, par exemple par une opération sur les indices de ces échantillons.

Les traitements de transformée de Fourier discrète directe et inverse peuvent comporter des traitements élémentaires de type papillon correspondant à plusieurs étages d'un graphe de calcul en forme générale de papillon, et les premiers et troisièmes moyens de traitement peuvent présenter une architecture pipelinée comportant plusieurs étages élémentaires correspondant respectivement aux étages du graphe de calcul.

L'utilisation d'une transformée de Fourier pipelinée utilise moins de ressources pour son implémentation que l'utilisation d'une transformée de Fourier traditionnelle et avec un résultat identique.

Selon un mode de réalisation, les premiers et les troisièmes moyens de traitement sont aptes à traiter des blocs successifs de N échantillons, et lesdits étages élémentaires sont aptes respectivement à effectuer des traitements de transformée de Fourier sur des blocs d' échantillons de tailles successivement réduites d'un étage élémentaire au suivant, le nombre N et le nombre d' étages

élémentaires étant reliés entre eux par l' intermédiaire du radix de la transformée de Fourier.

Selon un mode de réalisation, chaque étage élémentaire comporte des moyens d' entrée élémentaires, des moyens de sortie élémentaires, des moyens de calcul apte à effectuer un traitement élémentaire de transformée de Fourier de type papillon de radix r, des moyens de stockage aptes à stocker un nombre d' échantillons dépendant de N et du rang de l' étage élémentaire dans l' architecture pipelinée, des premiers moyens de commutation commandables connectés entre d'une part les moyens d' entrée élémentaires et d' autre part les moyens de stockage et les moyens de calcul, des deuxièmes moyens de commutation commandables connectés entre d'une part les moyens de stockage et les moyens de calcul et d'autre part les moyens de sortie élémentaire, et des moyens de commande aptes pendant une première phase à commander les premiers et deuxièmes moyens de commutation de façon à relier les moyens de stockage entre les moyens d' entrée élémentaires et le moyens de sorties élémentaires, et pendant une deuxième phase à relier les moyens de stockage aux moyens de calcul et les moyens de calcul entre les moyens d' entrée et de sortie élémentaires de façon à permettre le calcul des échantillons, la délivrance d'une partie de ces échantillons calculés en sortie et le stockage d'une autre partie de ces échantillons calculés dans les moyens de stockage.

Les moyens d' échantillonnage sont avantageusement aptes à délivrer des échantillons représentant le niveau du signal analogique d' entrée à chaque instant d'échantillonnage.

Selon un mode de réalisation, les moyens d'échantillonnage comportent des moyens d'interruption commandables et les moyens de stockage comportent une ligne à retard incluant une chaîne de

condensateurs et d'interrupteurs commandables aptes à stocker et à redélivrer des échantillons successifs.

Selon un autre aspect, il est proposé un appareil, par exemple un téléphone mobile cellulaire, comportant une chaîne de réception incluant une partie analogique et une partie numérique possédant un processeur de traitement du signal, la partie analogique incorporant un dispositif de décalage fréquentiel tel que défini ci-avant.

Selon un autre aspect, il est proposé un procédé de décalage fréquentiel d'un signal analogique comprend une réception d'un signal analogique d' entrée ayant une première fréquence, un échantillonnage du signal analogique d' entrée de façon à obtenir des échantillons analogiques du signal d' entrée, un traitement de transformée de

Fourier discrète sur les échantillons du signal de façon à délivrer des premiers échantillons intermédiaires, une modification de la répartition spectrale des premiers échantillons intermédiaires de façon à délivrer des deuxièmes échantillons intermédiaires, et un traitement de transformée de Fourier discrète inverse sur les deuxièmes échantillons intermédiaires de façon à délivrer des échantillons analogiques d'un signal de sortie ayant une deuxième fréquence inférieure à la première fréquence.

Ladite modification de la répartition spectrale des premiers échantillons intermédiaires peut comporter une translation fréquentielle sur les premiers échantillons intermédiaires.

D ' autres buts, caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description suivante, donnée uniquement à titre d' exemple non limitatif et faite en référence aux dessins annexés sur lesquels :

-la figure 1 illustre un exemple d' appareil radio fréquence incorporant un dispositif de décalage fréquentiel ; -la figure 2 les principales étapes d'un mode de mise en oeuvre d'un procédé de décalage fréquentiel

-la figure 3 illustre une structure de type papillon à radix 2. -la figure 4 montre un exemple de graphe de calcul de Cooley- Tukey à trois étages et de radix 2.

-la figure 5 montre les principaux éléments d'un mode de réalisation d'un dispositif à décalage fréquentiel ;

-la figure 6 montre les principaux éléments d'un mode de réalisation d'un étage de calcul élémentaire ; - les figures 7 et 8 illustrent un fonctionnement d'un étage de calcul élémentaire ;

- les figures 9 à 12 montrent un exemple de décalage fréquentiel sur un signal particulier.

Sur la figure 1 , on peut voir un exemple d'un appareil, par exemple un téléphone mobile cellulaire TP, apte à recevoir sur son antenne 1 un signal radio fréquence.

Le téléphone comporte une chaîne de réception possédant une partie analogique reliée à une partie numérique comportant par exemple un processeur 1 1 de traitement du signal, par un convertisseur analogique numérique ADC.

La partie analogique de la chaîne de réception comporte dans cet exemple de façon classique un filtre passe bande BPF suivi d'un amplificateur faible bruit LNA.

Entre l'amplificateur faible bruit LNA et le convertisseur analogique numérique ADC est connecté un dispositif de décalage fréquentiel DCF.

Le signal radio fréquence délivré à l' entrée BE du dispositif DCF est traité par le dispositif DCF afin de diminuer la quantité d' opérations à réaliser par le moyen 1 1 de traitement numérique du signal.

La figure 2 représente les principales étapes d'un mode de mise en œuvre d'un procédé de décalage fréquentiel d'un signal analogique. Le procédé commence avec la réception d'un signal analogique d' entrée à l' entrée BE (étape 30). A l'étape 31 , une transformée de Fourier directe dénommée classiquement FFT est effectuée sur le signal analogique d' entrée. A l' étape 32, une modification de répartition spectrale des échantillons issus de la FFT, par exemple un décalage sur les indices des échantillons de façon à effectuer une translation fréquentielle est réalisé. A l' étape 33 , une transformée de

Fourier inverse dénommée classiquement IFFT est réalisée afin d' obtenir un signal analogique de sortie. La fréquence du signal de sortie, du fait de la modification de répartition spectrale envisagée, est inférieure à la fréquence du signal analogique d' entrée. A l' étape 34, le signal analogique de sortie est émis.

De nombreuses méthodes peuvent être utilisées pour réaliser les transformations de Fourier directe ou inverse. La plupart de ces méthodes utilisent une variante de l'algorithme de Cooley-Tukey, bien connu de l'homme du métier, qui permet de réduire le nombre d' opérations arithmétiques nécessaires pour le calcul de la transformée de Fourier. Ainsi, le calcul d'une transformée de Fourier rapide de taille initiale r ^p où r représente le « radix », selon une dénomination couramment utilisée par l'homme du métier, peut être réduit en celui de r transformées de Fourier de taille r ^p-1 et d' additions et de multiplications complexes supplémentaires. En réitérant cette réduction, on arrive au calcul de transformées de Fourier de taille r aisément réalisables, notamment si r est choisi égal à 2 ou 4.

L ' algorithme de Cooley-Tukey utilise un graphe de calcul faisant apparaître une structure en forme générale de papillon et communément désignée en langue anglaise sous le terme « butterfly »

Une première solution consiste à réaliser un opérateur matériel capable d' effectuer un calcul de type papillon, par papillon du graphe. Cependant, cette solution n'est envisageable que pour P implémentation de transformées de Fourier de petite taille. Une deuxième solution consiste à réaliser un opérateur de type papillon par étage du graphe, ainsi qu'un élément de mémorisation, par exemple des lignes à retard ou des registres à décalage, dont la fonction est de présenter en entrée de l'opérateur les données dans le bon ordre compte tenu des papillons du graphe de l' étage considéré. De telles architectures sont dites séries ou pipelinées.

La transformée de Fourier d'un signal x(t) est définie comme suit en continu :

X(f) = - e- ^j2πβ dt

Lorsque l' on discrétise le signal, par un échantillonnage par exemple, la transformée de Fourier devient discrète (DFT) :

N M=O

1 N-I 1 N-I so it X(k) = — ^ ^x ( ⁿ ) ' cos(2πnk) + j — ^ ^x ( ⁿ ) ' sin(2πnA:)

avec x(n) le signal d'entrée échantillonné

N le nombre d' échantillons pris en compte

La figure 3 montre une structure papillon de radix égal à 2. Pour un couple d' échantillons en entrée (a ; b), le couple d' échantillons (A ; B) en sortie est : A = a + W ^Z _N * b

B= a - W ^Z _N * b où W ^Z _N sont des coefficients complexes bien connus de l'homme du métier et dont les valeurs dépendent d'une fonction g de k et de N. Plus précisément, pour une transformée de Fourier directe, on a : W ^Z _N = e ^{"2j *π* g(k} ' ^N)

pour une transformée de Fourier inverse, on a :

W ^Z _N = _e ^{+2j *π* g(k} ' ^N)

La figure 4 montre un exemple de graphe de calcul selon l' algorithme de Cooley-Tukey. On a une structure pipelinée à trois étages à radix 2. D 'une façon générale, N=r ^v ou r désigne le radix de la transformée de Fourier et v le nombre d' étages de traitement.

Matériellement comme illustré sur la figure 5 , le dispositif DCF comporte entre l'entrée BE et la sortie BS, des moyens d' échantillonnage MECH, suivis des premiers moyens de traitement

MT l , des deuxièmes moyens de traitement MT2 et des troisièmes moyens de traitement MT3 connectés successivement en série.

Les moyens d' échantillonnage (MECH) délivrent des échantillons analogiques du signal d' entrée.

Les premiers moyens de traitement (MT l ) effectuent un traitement de transformée de Fourier discrète sur les échantillons du signal et à délivrer des premiers échantillons intermédiaires.

Les deuxièmes moyens de traitement (MT2) effectuent une modification de la répartition spectrale des premiers échantillons intermédiaires et à délivrer des deuxièmes échantillons intermédiaires.

Les troisièmes moyens de traitement (MT3) effectuent un traitement de transformée de Fourier discrète inverse sur les deuxièmes échantillons intermédiaires et à délivrer des échantillons analogiques d'un signal de sortie ayant une deuxième fréquence différente de la première fréquence.

Les moyens d'échantillonnage MECH comportent ici schématiquement un interrupteur commandé au rythme d'un signal d'horloge CLK et permettant de délivrer des échantillons successifs de tension du signal d' entrée.

La figure 6 illustre schématiquement un exemple de réalisation d'un étage élémentaire de traitement ETL, des moyens MT l ou MT3. La structure de ces moyens est identique. Seules les valeurs des coefficients W ^Z N changent selon qu' il s 'agisse d' effectuer un traitement de transformée de Fourier directe ou inverse.

On rappelle qu'il y a un étage élémentaire de traitement par étage du graphe de calcul de la transformée de Fourier. Chaque étage élémentaire utilise uniquement les données fournies par l' étage précédent.

L 'entrée 6 de l' étage élémentaire de traitement ETL est reliée à un premier dispositif 20 de commutation relié d'une part à une ligne à retard 22 par la connexion 21 et d'autre part à une unité de calcul 27 par une connexion entrante 26 et une connexion sortante 25. La ligne à retard 22 est reliée au deuxième dispositif 24 de commutation par la connexion 23. L'unité de calcul 27 est également reliée au deuxième dispositif 24 de commutation par une liaison sortante 29 et une liaison entrante 28. Le deuxième dispositif 24 de commutation est relié à la sortie 8 de l' étage élémentaire de traitement ETL. Un moyen de commande 12 réalisable par exemple à partir de portes et/ou de circuits logiques, reçoit le signal d'horloge CLK et commande le premier moyen 20 de commutation, le deuxième moyen 24 de commutation, et les différents éléments de stockage de la ligne de

retard 22. Les différents éléments de stockage de la ligne à retard 22 peuvent être formés par exemple d'un interrupteur et d'un condensateur de stockage. Une connexion 16, reliée à l'unité de calcul 27, permet de fournir les valeurs des coefficients de pondération W ^Z N à l'unité de calcul 27.

Bien entendu, les différentes connexions sont en fait « doubles » pour véhiculer en parallèle les parties réelles et imaginaires des échantillons.

L 'unité de calcul reçoit en entrée des échantillons X _1n et y _in et délivre en sortie des échantillons W ^Z N et y _out = x _in -y _m *

W ^Z _N .

Cette structure peut être réalisée en utilisant des additionneurs et multiplicateurs complexes.

La profondeur ou taille de la ligne à retard dépend du nombre N et du rang de l' étage élémentaire de traitement dans le graphe. Cette taille diminue d'un étage à l' autre. Ainsi dans l' exemple de la transformée de Fourier de radix 2 illustré sur la figure 6, la ligne à retard du premier étage stocke N/2 échantillons, celle du deuxième étage N/4 et celle du troisième étage N/8 échantillons. Le coefficient W ^Z N à la même périodicité que l' intervalle de déplacement (N/2, N/4,..).

Le premier étage va traiter des groupes successifs de N échantillons, le deuxième étage des groupes successifs de N/2 échantillons et le troisième étage des groupes successifs de N/4 échantillons.

Deux phases sont à distinguer pendant une période de calcul Tcaicui traitant N échantillons :

1 ) la réception et le stockage des N/2 échantillons en entrée pendant T _calcul /2, 2) le calcul avec les N/2 échantillons suivants et les N/2 échantillons stockés dans la ligne à retard pendant T _ca icui/2

La figure 7 montre la première phase de fonctionnement du dispositif. Le moyen de commande 12 commande les moyens de commutation 20 et 24 afin qu' ils relient respectivement les connexions

6 et 21 , et 23 et 8. Pendant cette phase, N/2 échantillons sont mémorisés dans la ligne à retard 22. Simultanément, la ligne à retard 22 émet par la sortie élémentaire 8, N/2 échantillons calculés lors de la deuxième phase précédente et qui avaient été stockés dans cette ligne à retard. La circulation des données est symbolisée par les flèches en pointillés.

La figure 8 montre la deuxième phase de fonctionnement du dispositif. Le moyen de commande 12 commande les moyens de commutation 20 et 24 afin de modifier l' ordre de circulation des données. Le premier moyen de commutation 20 relie l' entrée élémentaire 6 avec la connexion entrante 26 et la connexion sortante 25 avec la ligne à retard 22 via la connexion 21. De même, le moyen de commutation 24 relie la ligne à retard 22 via la connexion 23 à la deuxième connexion entrante 28 et la deuxième connexion sortante 29 à la sortie élémentaire 8. Les N/2 échantillons mémorisés lors de la première phase dans la ligne à retard 22 sont traités par l'unité de calcul 27 via les connexions 23 , 28 et 29.

Simultanément, les N/2 échantillons restants du bloc de N échantillons sont admis par l' entrée élémentaire 6 et traités par l'unité de calcul 27.

N/2 échantillons calculés sont directement délivrés en sortie 8 et N/2 échantillons calculés sont stockés dans la ligne à retard 22 pour être délivrés en sortie 8 lors de la première phase suivante. Ainsi en sortie des moyens MT l ou MT3 , les N échantillons de sortie sont délivrés selon une répartition en ordre inversé par rapport à l' ordre d' entrée, cette répartition inversée étant bien connue de l'homme du métier.

La description ci-avant a été faite pour un calcul à base de transformées de Fourier de type papillon à radix 2. Une autre taille de radix ainsi qu'un autre nombre d' échantillons N aurait pu être utilisé.

Ainsi pour une application à un signal radiofréquence, et pour obtenir une résolution fréquentielle de un mégahertz, on peut utiliser une transformée de Fourier qui traite N=4096 échantillons. Ceci est possible en passant à un radix supérieur. Le nombre d' échantillons est

toujours N=radix ^v , v étant le nombre d' étages. Pour un radix 8, on aurait alors toujours quatre étages traitant 4096 échantillons.

Les figures 9 à 12 montrent un exemple de décalage fréquentiel pour un signal sinusoïdal sur trois périodes (figure 9) avec seize échantillons (N= 16). Apres transformation de Fourier directe, les seize échantillons X(O) ...X(15) sont transformés en seize premiers échantillons intermédiaires Xl (O) ...Xl ( 15) selon la répartition en ordre inversé (0 8 4 12 2 10 6 14 1 9 5 13 3 1 1 7 15) (figure 10). Une opération de décalage fréquentiel est réalisée en effectuant une opération sur les indices i des premiers échantillons intermédiaires.

Ainsi, par exemple, on translate l' information en décalant les indices de deux. On obtient alors la répartition fréquentielle de la figure 1 1. La raie au troisième indice sur la figure 10 est alors décalée au premier indice sur la figure 1 1. Après transformation de Fourier inverse, on obtient le signal de sortie. Ledit signal (figure 12) présente la même amplitude que le signal d'entrée mais une fréquence réduite (une seule période au lieu de trois).

Les deuxièmes moyens intermédiaires MT2 qui permettent de réaliser le décalage fréquentiel peuvent être réalisés à partir de circuits logiques et de lignes à retard.

L 'invention n'est pas limitée aux modes de mise en œuvre et de réalisation décrits ci-avant. En effet, il est possible d'utiliser les mêmes moyens pour réaliser une augmentation de la fréquence entre le signal d'entrée et le signal de sortie. Les deuxièmes moyens MT2 peuvent ainsi mettre en œuvre d'une façon générale un décalage fréquentiel permettant d' obtenir un signal de sortie ayant une fréquence différente, supérieure ou inférieure, de la fréquence du signal d'entrée.

Une telle solution permet ainsi d' augmenter la fréquence du signal dans une chaîne d'émission dans une application de téléphonie mobile pour passer à une fréquence radiofréquence, et constitue une alternative à une solution prévoyant l'utilisation d'un mélangeur.