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Département de Génie Électrique Rapport de Projet : Analyse des Signaux (Traite

Département de Génie Électrique Rapport de Projet : Analyse des Signaux (Traitement de l’information 2) Réal isé par : Hich am EL OMR ANI Enca dré par : Pr. El BARBRI Table des matières : Chapitre 1 : Synthétiseurs de fréquences à base de PLL …….… 1 I- Introduction Année Universitaire : 2014/2015 3ième année Cycle d’ingénieur Génie électrique -S5- II- La transposition de fréquence II.1. Le mélangeur II.2. L’oscillateur II.2.1. La pureté spectrale II.2.2. Le bruit de phase III- La génération de la fréquence III.1. Boucle à verrouillage de phase III.2. Classification des boucles à verrouillage de phase III.3. Description des blocs III.3.1. Comparateur de phase ou détecteur de phase III.3.2. Filtre de boucle III.3.3. Oscillateur contrôlé en tension (VCO) IV- Techniques de simulation des circuits et systèmes IV.1. Classification des méthodes de simulation 18 IV.2. Simulation du synthétiseur de la fréquence à base de PLL sur Matlab/Simulink. V- Conclusion Chapitre 1 : Synthétiseurs de fréquences à base de PLL I- Introduction : Le synoptique général d’une synoptique d’une unité de communication mobile: Figure 1:Système d’émission-réception radiofréquences. L'étage d’émission ou la réception se décompose en deux fonctions essentielles : – la génération de fréquence ou synthèse de fréquence (PLL). – la transposition de fréquence en fréquence intermédiaire ou en bande de base. II- La transposition de fréquence Les éléments principaux intervenant dans la transposition de fréquence sont le mélangeur et l’oscillateur. La génération ou synthèse de fréquence s’appuie généralement sur une boucle verrouillage de phase (PLL). II.1- Le mélangeur : Le mélangeur est un dispositif essentiel des systèmes de communications radio, puisqu’il permet d’effectuer les décalages de fréquence d’un signal sans modifier l'information dont il est porteur : - A l’émission, il permet de transposer le signal utile en haute fréquences, afin de profiter des conditions de propagation favorables. - A la réception, il permet d’abaisser la fréquence afin de démoduler le signal de façon efficace. Dans le cas d’une conversion basse, la fréquence intermédiaire est inférieure à la fréquence d’entrée (fFI <fRF ). Le signal d’entrée à la fréquence FRF est transposé à la fréquence intermédiaire de sortie FFI grâce à un second signal d’entrée, appelé oscillateur local dont la fréquence FOL est égale à la différence entre FRF et FFI. Cette opération de mélange conduit à l’obtention d’une composante fréquentielle à la fréquence différence (| FOL −FRF |) mais également à la fréquence somme (FOL +FRF). Cette dernière peut aisément être éliminée par un filtrage de type passe-bas ou passe-bande. En général, les contraintes imposées au mélangeur sont fortes en termes de gain, de bruit, de linéarité et d’isolation. Le premier mélangeur de la chaîne de réception est critique car il détermine la linéarité de la chaîne. Figure 2 : Schéma de principe d’un mélangeur idéal. Si les signaux d’entrée sont parfaitement sinusoïdaux, on retrouve à la sortie du mélangeur des signaux également sinusoïdaux, appelés produits d’intermodulation (PIM), dont les fréquences sont définies par: f FI = | mf RF + nf OL | avec : m et n : nombres entiers relatifs pouvant prendre théoriquement une infinité de valeurs, positives ou négatives. Parmi l’ensemble des raies spectrales disponibles en sortie du mélangeur quelques- unes ont un intérêt particulier, les autres apparaissant plutôt comme des fréquences indésirables. • pour un mélangeur destiné à effectuer une transposition haute, le signal utile sera produit par la combinaison {m=1, n=1} : f FI = f RF + f OL. • pour un mélangeur destiné à effectuer une transposition basse, le signal utile sera produit par la combinaison {m= 1, n= -1} si la fréquence de l’oscillateur local est inférieure à fRF et par la combinaison {m= -1, n= 1} si la fréquence de l’oscillateur local est supérieure à fRF : f FI = f RF - f OL si fOL<fRF ou f FI = f OL - f RF si fRF<fOL II.2- L’oscillateur : Les oscillateurs sont utilisés à tous les niveaux d’un système de communication. En particulier, on a souvent besoin d’un générateur de fréquence de référence pour la sélection du canal de transmission. Dans les circuits d’émission-réception, la pureté spectrale de l’oscillateur local est le premier paramètre limitatif de la qualité des liaisons puisque son bruit se superpose au signal utile. Comme indiqué précédemment, les oscillateurs interviennent souvent comme une des entrées des mélangeurs. De fait, la qualité d’un récepteur RF dépend grandement de la pureté spectrale de l’oscillateur local. Il existe une grande variété d’oscillateurs : sinusoïdaux à fréquence fixe (oscillateur à quartz), à fréquence variable (oscillateur à réseau LC, oscillateur commandé en tension (VCO)), non sinusoïdaux (oscillateurs à relaxation)… Les caractéristiques principales d’un oscillateur sont : - Le type de l’oscillateur : Hartley, Colpitts, Clapp, Vackar, Seiler ou autre. - La fréquence d’oscillation qui doit être définie avec une précision importante et sa plage de d’accord : elle est définie pour un oscillateur contrôlé en tension et correspond à la bande passante de l’oscillateur. - La distorsion de phase ou bruit de phase, ou pureté spectrale : ce sont des principaux défauts qu’un oscillateur peut présenter. Il apparaît une variation de phase du signal sur un cycle, ce qui génère du bruit…etc. II.2.1- La pureté spectrale : La pureté spectrale d’un synthétiseur de fréquence se définit comme la prépondérance de la raie fondamentale sur les raies latérales non-harmoniques. Ces raies latérales parasites sont le bruit de mélanges de signaux au sein du synthétiseur. Ce critère est important notamment en réception pour éviter de retrouver un signal parasite dans la bande utile suite à un mélange de la raie latérale avec un brouilleur (dans le cas où on a FB-Fn = FOL-FRF = FI). Figure 3 : Effet d’une mauvaise pureté spectrale du signal synthétisé. II.2.2- Le bruit de phase : La variation aléatoire de la phase du signal de sortie d’un oscillateur est appelé bruit de phase. Cette variation aléatoire est due à la transposition en haute fréquence du bruit en basse fréquence associé aux transistors et autres éléments qui constituent l’oscillateur. Dans le domaine fréquentiel, la représentation d’un signal non bruité issu d’un oscillateur sinusoïdal est une impulsion de Dirac. L’influence du bruit de phase sur le spectre de ce signal se traduit par un étalement du spectre autour de cette raie, comme représenté à la figure 4. On calcule le bruit de phase, dans le domaine fréquentiel, par le rapport de la densité spectrale de puissance du signal de sortie dans une bande de largeur normalisée à 1 Hz et centrée sur la fréquence f0+fm, à la puissance du signal de sortie à la fréquence f0. Le bruit de phase, noté L(fm), s’exprime en dBc/Hz et s’écrit : Cette définition est illustrée sur la figure suivante : Figure 4 : Bruit de phase d’un oscillateur. Le bruit de phase est un critère primordial à prendre en compte pour la réalisation d’un synthétiseur de fréquence. L’oscillateur local est utilisé pour la transposition en fréquence haute à l’émission, et basse à la réception. De mauvaises performances en bruit de phase du synthétiseur de fréquence vont détériorer les performances du système, que ce dernier soit utilisé pour émettre ou recevoir une information, comme illustré à la figure 5. Figure 5 : Effet du bruit de phase : a) si le signal émis a un mauvais bruit de phase ; b) si Le signal reçu est mélangé à un signal de mauvais bruit de phase. A l’émission, si le signal transmis est proche d’un canal de réception, alors il va venir perturber ce dernier. En effet, le signal émis étant de forte puissance, s’il présente un mauvais bruit de phase, il va alors recouvrir en partie le signal reçu de faible intensité comme illustré à la figure (5-a), où f1 est la fréquence du signal transmis et f2 celle du signal reçu. A la réception, de mauvaises performances en bruit de phase vont détériorer l’information par mélange du signal synthétisé avec un signal de fréquence proche du signal transmis comme illustré à la figure (1-b). Dans ce cas, le signal synthétisé de fréquence FOL se mélange avec un signal de forte puissance (un bloqueur dans cet exemple) et vient perturber le signal de fréquence FRF-FOL issu du mélange. Enfin, le bruit de phase perturbe l’information contenue dans la phase des porteuses, ce qui influe fortement sur les performances des modulations quadratiques de phase en induisant une incertitude sur la décision lors de la démodulation. III- La génération de fréquence (Analyse et Théorie de PLL) Nous nous limiterons à la présentation de la génération de fréquence la plus utilisée dans les systèmes de communication actuels, la synthèse par Boucle à Verrouillage de Phase (ou PLL : Phase Locked Loop). III.1- Boucle à verrouillage de phase : Il s’agit du bloc concerné par une partie des travaux de rapport. Les boucles à verrouillage de phase sont des systèmes à contre-réaction où les variables d’état sont la phase d’un signal électrique et ses dérivées. La fonction de la PLL consiste à synchroniser en phase et en amplitude deux signaux sur une uploads/Industriel/ pll.pdf