Circuit à modulation d'amplitude et à bande latérale unique

 


1. Émetteur en modulation d'amplitude
2. Service Radio Général
3. L'émetteur en bande latérale unique
4. La classe C
5. Les ondes électromagnétiques
 6. La réception des signaux
7. PLL et synthétiseur de fréquence

ÉMETTEUR EN MODULATION D’AMPLITUDE

      1. Diagramme synoptique d'un système de communication radiophonique
2. Diagramme synoptique d'un émetteur
3. L'émetteur en modulation d'amplitude

1. Diagramme synoptique d’un système de communication radiophonique

Les trois éléments essentiels d’un système de communication radiophonique sont :

·         L’émetteur

·         Le récepteur

·         Le canal de transmission par lequel transitent les ondes électromagnétiques

Le processus de l’émission et de la réception peut être schématisé par la figure suivante :

Rappelons que les ondes électromagnétiques ou ondes hertziennes se propagent comme la lumière à une vitesse c = 300 000 km/s.

L’origine du bruit est multiple. Une liaison radio peut être brouillée par des parasites atmosphériques, par d’autres émetteurs, par l’allumage de voitures, par des moteurs électriques etc.

2. Diagramme synoptique d’un émetteur

Dans un émetteur de radiodiffusion, l’information ou le message (musique, parole) sera codée, puis véhiculée, par l’intermédiaire d’un canal de transmission (l’espace), vers le destinataire où le message sera décodé à la réception.

Le codage est l’opération qui consiste à transformer le message en un signal dont les caractéristiques sont adaptées au canal de transmission.

En radiodiffusion, le signal basse fréquence (f ≤  15 Khz) est le message à envoyer, les ondes hautes fréquences qui peuvent se propager dans l’espace libre jouent le rôle de porteuses (véhicules). 

2.1.   Adaptation d’impédance :

Nous avons des besoins variés en électronique. Nous savons depuis l'étude sur les générateurs qu'ils soient continus ou alternatifs que ceux-ci ont une résistance interne Ri ou impédance propre Zi (le i est pour Input = Entrée). Quand nous couplons un générateur à un récepteur (une résistance par exemple), nous essayons de transférer le maximum de puissance et c'est là que les impédances entrent en jeu.

Courant I dans le circuit :

I = E / (r + R)

Puissance dans la charge :

P= R x I2 = R x E2 / (r + R)2

Exemple pratique : E = 100 volts, r = 8  

R ()

I (A)

P (W)

0

12.5

0

2

10

200

4

8.3

278

6

7.1

306

8

6.25

312.5

10

5.6

308.6

12

5

300

14

4.5

289

16

4.2

278


P est la puissance absorbée par la charge. La puissance est maximale lorsque r = R. Lorsque R est petit devant r, la puissance est plus faible et le courant plus élevé, il y a alors risque de détruire les transistors (ou le circuit intégré) de sortie de l’amplificateur.

2.2.   Blocs de l’émetteur 


Remarque : L'émetteur est rarement constitué d'un seul étage oscillateur. Comme il est difficile de maintenir la stabilité de fréquence de l'oscillateur au fur et à mesure que la fréquence s'accroît, on a recourt à un multiplicateur de fréquence (exciter).

Le multiplicateur de fréquence joue plusieurs rôles:

Le multiplicateur de fréquence est très utilisé dans les bandes d'amateurs. Avec un doubleur ou un tripleur de fréquence, on peut couvrir toutes les bandes HF en utilisant un minimum d'amplificateurs intermédiaires.

Par exemple, pour passer de la bande de 80 m à celle de 40 m, il suffit de doubler la fréquence. De 40 m à 15 m, il faut tripler la fréquence, etc.

Résumé :

Le message utile est couramment appelé “signal modulant”.           

2.3.    Procédés de codage ou de modulation utilisés :


 2.4.    Largeur de bande en radio

  • Radiodiffusion AM commerciale (540 Khz à 1700 Khz) :

- Fréquence la plus haute à transmettre : 5 Khz

- Largeur de bande : 2 fois la fréquence la plus haute à transmettre soit 10 Khz

  • Émetteurs et récepteurs radio mobiles terrestres et fixes utilisant la modulation d’amplitude (1.705 Mhz à 50 Mhz) :

Voir CNR-125 (Cahier des charges sur les normes radioélectriques).

- Bande latérale unique BLU ou SSB : 1.705 Mhz à 28 Mhz

- Double bande latérale DBL ou DSB : 27.41 Mhz à 50 Mhz

La largeur de bande autorisée est de :

-  3 Khz pour la BLU

-   8 Khz pour la DBL, 6Khz adoptée

  • Radiodiffusion FM (88 Mhz à 108 Mhz) :

       - Fréquence la plus haute à transmettre : 15 Khz

   - Largeur de bande : au moins 10 fois la fréquence la plus haute à transmettre soit 150 Khz minimum. La largeur adoptée est de 200 Khz

  • Télévision (54 Mhz à 806 Mhz) :

Largeur de l'écran = 4/3 de la hauteur

Nombres de lignes de l'image = 525

Nombres d'images par seconde = 30

Nous supposons que la «définition», la finesse horizontale (c'est-à-dire le nombre de points élémentaires par unité de longueur, sur une même ligne), est égale à la définition verticale (c'est-à-dire le nombre  de lignes par unité de longueur).

Nombre de points élémentaires par ligne = Nombres de lignes x (4/3) = 525 x (4/3) = 700

Si ces 700 points élémentaires sont alternativement noirs et blancs, le signal vidéo correspondant aura, théoriquement, l'allure d'un signal carré de fréquence de récurrence : (700/2) x 525 x 30 = 5.5 MHz.

La plupart des standards ont admis une définition horizontale légèrement inférieure à la définition verticale et réduit la bande passante vidéo en conséquence. Le standard Américain a adopté 4.2 MHz comme largeur de bande du signal vidéo.

La bande de fréquences attribuée par le MDC (Ministère Des Communications) à une station de télévision pour l'émission de ses signaux s'appelle un canal.

Chaque station est un canal de 6 MHz appartenant à l'une des bandes suivantes :

 - Bande inférieure VHF allant de 54 MHz à 88 MHz : canaux 2 à 6 (exclure la bande de 72 MHz à 76 MHz)

- Bande supérieure VHF allant de 174 MHz à 216 MHz : canaux 7 à 13

- Bande UHF allant de 470 MHz à 806 MHz : canaux 14 à 69

      La largeur de bande (B/W = Bandwidth) inférieure ou égale à 25 Khz est considérée comme une bande étroite Narrow Bandwidth (NB)

      Une largeur de bande supérieure à 25 Khz est considérée comme une bande large Wide Bandwidth (WB).

3. L'émetteur en modulation d’amplitude (AM)

Dans ce type d'émission, l'amplitude de l'onde porteuse est modifiée selon l'amplitude du signal utile. Cette méthode de modulation s'appelle “modulation d'amplitude” (AM). 

L'application d'une information sur l'onde porteuse s'appelle MODULATION et l'onde qui en résulte est dite MODULÉE. C'est à partir de cette onde modulée que nous pouvons réaliser une communication à distance, sans besoin de support matériel : voilà pourquoi on l'appelle “ONDE PORTEUSE”.

3.1.  Principe de la modulation d’amplitude (AM)

La modulation, au sens général du terme, consiste à faire transporter par un signal auxiliaire (la porteuse), une information appelée signal modulant. En modulation d’amplitude, l’amplitude de la porteuse varie au rythme du signal contenant l’information (signal modulant).

Le  rapport m = Vm / Vc exprimé en pourcentage est appelé “taux de modulation” (on utilise aussi le terme de profondeur de modulation ou indice de modulation). La figure suivante montre l’allure du signal modulé pour différentes valeurs de m.

Un taux de modulation voisin de 100 % cause de la la distorsion (ou déformation) du signal au voisinage du creux de modulation. Si m est supérieur à 100 %, il y a surmodulation. Il apparaît “des coupures” dans le signal, ce qui se traduit par des déformations importantes. Ceci se produit lorsque l’amplitude du signal modulant est supérieure à l’amplitude de la porteuse.

3.2. Amplificateur RF modulé

La porteuse est l’entrée d’un amplificateur émetteur commun. L’amplificateur donne un gain, de A, à la porteuse, sa sortie est donc AxV1. Le signal de modulation fait partie de la polarisation. Il fait varier, le courant émetteur à basse fréquence, et par conséquent le gain A. Voilà pourquoi le signal de sortie amplifié ressemble à un signal AM représenté à la figure précédente.

3.3. Mesure du taux de modulation

 

         Vm       V max – V min

m = ----- = --------------------

         Vc         V max + V min

 

3.4. Spectre AM

- Signal modulant sinusoïdal : si le signal modulant est sinusoïdal, le signal modulé en amplitude est en fait la superposition de trois ondes sinusoïdales pures:

  •       La première d’amplitude Vc est l’onde porteuse originelle;
  •        La deuxième d’amplitude mVc/2, de fréquence Fc – Fm est l’onde latérale inférieure;
  •        La troisième d’amplitude mVc/2, de fréquence Fc + Fm est l’onde latérale supérieure.


 

- Signal modulant quelconque : si le signal modulant est constitué par une bande de fréquences (téléphonie et radio mobile : 300 Hz-3000 Hz ; radio AM commerciale (20 Hz-5 Khz). On retrouve, après modulation l’onde porteuse (Carrier) de fréquence F1 et non plus deux fréquences mais deux bandes latérales.

amblu.12.gif

Les fréquences correspondantes sont obtenues par addition en ce qui concerne la bande latérale supérieure et par soustraction en ce qui concerne la bande latérale inférieure. Les amplitudes relatives des bandes latérales et de la porteuse dépendent du taux de modulation. La bande de fréquences occupée par un signal modulé en amplitude est donc B = 2 x F, F étant la fréquence la plus haute à transmettre.

Au Canada, la largeur de bande, des stations émettrices AM, est limitée à 10 Khz

Le canal (n+1) perturbe les canaux adjacents n et (n+2)

SERVICE RADIO GÉNÉRAL (SRG) OU CITIZEN BAND (CB) 

1.    Qu'est-ce que le service radio général (SRG)?

Le service radio général (SRG), ou Citizen Band (CB) selon l’expression courante, est un service public de radiocommunications bilatérales à courte distance qui est peu coûteux. La portée varie, mais elle est généralement de 5 à 15 km pour les communications entre voitures, de 12 à 25 km pour les communications entre une voiture et une station de base, et de 20 à 40 km pour les communications entre stations de base.

2.    Pourquoi la CB ?

Très utilisée sur la route, elle permet d'éviter les embouteillages, de se faire guider surtout dans les grandes villes, de garder le contact lorsque l'on fait une sortie à plusieurs ainsi que de compter, en cas d’accident, sur un réseau d'assistance (le fameux canal 9) utilisé par des associations ainsi que des personnes indépendantes. Grâce au coût "modéré" et à sa simplicité d'emploi, elle est à la portée de toutes personnes.

3.    D'où vient la CB ?

La CB est née aux États-Unis après la seconde guerre mondiale. C'est à cette époque que les radioamateurs américains ont manifesté leur intérêt pour la création d'un trafic radio entre particuliers sur la bande de fréquence des 27 MHz. Cette fréquence était allouée aux applications industrielles, scientifiques et médicales , donc peu propice à un quelconque trafic radio, car perturbée incessamment par des appareils de forte puissance ayant une résonance sur 27 MHz. Pourtant, ces premiers adeptes d'une forme de radio de loisir, réussirent à convaincre les responsables des télécommunications américaines qui dès 1953, autorisèrent 23 canaux sur 27 MHz et introduisirent peu après une licence donnant naissance à la " fréquence des citoyens ".

4.    Matériel du SRG

Une station du SRG comprend essentiellement : 

-       Un émetteur-récepteur, normalement fourni avec un microphone, un cordon d'alimentation et un support de montage mobile;

-       Une antenne, pour diffuser vos signaux et capter ceux des autres;

-       Une ligne d'alimentation, pour raccorder l'émetteur-récepteur à l'antenne;

-       Une alimentation électrique.

6.    Certificat d’approbation technique d’Industrie Canada et étiquettes d’homologation de la FCC (Federal Communications Commission).

Une plaque, une vignette ou une étiquette portant le certificat d’approbation technique d'Industrie Canada ou le numéro d’homologation de la FCC, le numéro de série, le nom du fabricant et le numéro de modèle doit être fixée en permanence sur chaque émetteur-récepteur.

7.    AM ou BLU?

Les acronymes AM (modulation d'amplitude) et BLU (bande latérale unique) désignent deux moyens différents de moduler l'onde porteuse produite par un émetteur en y intégrant les impulsions sonores captées par un microphone. Les appareils BLU sont plus perfectionnés et plus efficaces.

8.    Commandes et fonctions

Tous les appareils du SRG possèdent les commandes et les dispositifs suivants :

  • Un interrupteur d’alimentation ;
  • Une commande de volume ;
  • Une commande de réglage silencieux (pour éliminer les bruits de fond du récepteur en l'absence de signal) ;
  • Un sélecteur de canaux ;
  • Un microphone ;
  • Un connecteur d'alimentation ;
  • et un connecteur d'antenne.

Note : le connecteur d’antenne sur l’émetteur-récepteur est de type UHF femelle (300 Mhz maximum). Son nom est SO239 (SO=Socket). Sur le câble de branchement du côté émetteur-récepteur, il est de type mâle et est dénommé PL 259 (PL=Plug). Du côté de l’antenne, il est de type N du nom de son inventeur Neils.  

amblu.14.gif

En outre, le panneau avant de la plupart des appareils est équipé d'un indicateur à double fonction. Pendant la réception, il indique les intensités relatives des signaux reçus. Pendant l'émission, il indique visuellement la puissance du signal transmis à l'antenne; il permet bien souvent de déceler les défectuosités de l'émetteur, de l'antenne ou de la ligne d'alimentation. 

9.    Autres fonctions

Certains appareils du SRG plus coûteux offrent des caractéristiques qui ne sont pas essentielles, mais qui pourraient accroître considérablement votre satisfaction, selon votre budget et vos préférences.

La commande de clarification permet de régler le récepteur sur une fréquence légèrement au-dessus ou au-dessous de la fréquence nominale du canal utilisé. Particulièrement, les signaux BLU doivent être réglés de cette manière avec la précision voulue. Ce dispositif est souvent appelé réglage delta, ou réglage différentiel du récepteur. 

a)   Le système ALC Automatic Level Control ou commande de gain :  tous les émetteurs SSB possèdent un circuit de limitation de niveau de sortie (Automatic Level Control ou ALC).

Ce dernier permet de limiter la puissance crête de l’enveloppe (PEP) de sortie en modifiant le gain de l’amplificateur audio par une contre-réaction provenant de la sortie. Ce contrôle empêche l’amplificateur final de l’émetteur de travailler à saturation ce qui entraînerait de la distorsion.

Le système ALC se compose habituellement d’un mécanisme de détection de puissance de sortie convertie sous forme de tension DC et d’une forme quelconque de comparateur qui permet de détecter l’instant où l’amplitude de sortie tente de dépasser la puissance crête maximale de l’amplificateur de sortie. La sortie du comparateur est ensuite filtrée avec une constante de temps assez grande (1 à 3 sec.) et la tension DC résultante contrôle le gain de l’amplificateur audio ou, quelques fois, un amplificateur RF intermédiaire (précédant l’amplificateur de sortie).

Par conséquent, si le signal d’entrée à l’amplificateur audio devient trop élevé, le modulateur balancé fournit un signal de grande amplitude et l’amplificateur RF dépasse le PEP maximal permis par le système. L’ALC entre alors en fonction et diminue le gain de l’amplificateur audio.

b)  Le système ANL Automatic Noise Limiter ou réducteur de bruit : L’ANL est un système qui travaille au niveau de l’audio, après le démodulateur. Il limite l’amplitude des bruits impulsionnels démodulés par le récepteur. Il élimine donc les bruits de fond dus à de l’interférence dans un environnement bruyant.

10.    Sélectivité et sensibilité du récepteur

La sélectivité et la sensibilité sont deux des indicateurs importants de la qualité d'un récepteur.

La sensibilité est la capacité du récepteur de capter clairement des signaux très faibles. 

La sélectivité est la capacité du récepteur de filtrer les signaux des canaux adjacents. Un poste doté d'une bonne sélectivité peut écarter le signal d'une station puissante émettant dans un canal adjacent, permettant ainsi à l'opérateur de capter le signal plus faible du canal sélectionné. Si vous résidez dans un centre urbain où beaucoup de postes du SRG sont exploités, la sélectivité sera pour vous un facteur important.

11.    Installation de la station

Il est essentiel que votre station soit bien installée. La valeur d’un poste radio, même le meilleur, est directement proportionnelle à la qualité de son antenne. Celle-ci doit être installée et réglée avec soin à un endroit également choisi très soigneusement.

Une antenne est composée d’un conducteur électrique d'une longueur particulière qui transfère l'énergie radioélectrique émise ou reçue par un poste radio. Elle doit être montée aussi haut que possible dans un endroit dégagé, compte tenu de la sécurité et des considérations d’ordre pratique.

Vous devez utiliser un câble coaxial pour raccorder votre émetteur-récepteur à l'antenne. Ses caractéristiques électriques devront être conformes avec celles du circuit de sortie de votre émetteur et à celles de votre antenne. Un câble de type RG58/U est d'un usage courant pour les installations mobiles. Un câble de type RG8/U, plus épais et plus résistant, est conseillé pour les installations extérieures permanentes ou celles qui nécessitent des câbles plus longs.

L'affaiblissement des signaux étant proportionnel à la longueur du câble qui les transporte, les câbles doivent être aussi courts que possible.

Quelques restrictions

  • Vous devez, en tout temps et sur tous les canaux, accorder la priorité aux communications d'urgence. le canal 9 ne peut servir qu'aux communications d'urgence, c'est-à-dire les communications qui se rapportent à un danger réel ou imminent pour la vie ou la sécurité d'une personne ou encore visent la protection immédiate de la propriété.
Un accident de la route, la chute d'un câble électrique, une urgence médicale ou un incendie sont des exemples de situations justifiant l'utilisation du canal 9

 

  • La limite de puissance de sortie RF maximale permise pour un émetteur du SRG est de :

- 12 watts (puissance en crête) pour les émissions à bande latérale unique;

- 4 watts (puissance de l'onde porteuse) pour les autres genres d'émissions.

ÉMETTEUR EN BANDE LATÉRALE UNIQUE

1. L'émetteur en bande latérale unique (BLU ou SSB) (voir schéma bloc ci-dessous)

La B.L.U. (bande latérale unique) est un procédé de télécommunication téléphonique universellement employé actuellement tant par les professionnels des télécommunications que par les radioamateurs.

1.1.    L'amplificateur audio

Sur la figure suivante, l'amplificateur audio a pour but d'amplifier le signal de la voix capté par le microphone.

1.2.      Le modulateur équilibré

Le modulateur équilibré est un modulateur d'amplitude qui a pour fonction d'éliminer la porteuse tout en laissant subsister les bandes latérales. C'est un circuit qui permet au maître oscillateur, tout en fonctionnant à une fréquence fixe, de fournir à la sortie de ce modulateur symétrique un signal à double bande latérale sans porteuse.

 1.3.       Le maître oscillateur

Le maître oscillateur a pour rôle de fournir la haute fréquence qui constituera l'onde porteuse.

1.4.      Le filtre de bande latérale

Ce filtre sert à laisser passer la bande latérale désirée (bande supérieure ou inférieure).

1.5.      L'amplificateur de puissance linéaire

Cet amplificateur a pour rôle d'amplifier d'une façon linéaire (c'est-à-dire sans distorsion) le signal modulé qui parviendra jusqu'à l'antenne.

2.      Comparaison entre AM et BLU

Nous allons comparer la B.L.U. à la modulation d’amplitude A.M. Historiquement, l’A.M. a été le premier procédé employé même à l’époque des ondes amorties et des “postes à étincelles”. Elle a été quasiment universelle jusqu’aux années 50.

L'émission en bande latérale unique (BLU) est une modulation qui résulte de la suppression de la porteuse et de l'une ou l'autre des deux bandes latérales. Elle vient contrecarrer les inconvénients majeurs que la modulation d'amplitude (AM) présente aux radioamateurs: utilisation d'une trop grande largeur de bande et emploi de grandes puissances pour produire l'onde porteuse et les deux bandes latérales. C’est donc une sorte d’A.M. améliorée.

En modulation d'amplitude, la superposition du signal utile à la porteuse produit deux bandes latérales portant la même information mais à des fréquences différentes. Comme la porteuse ne contient aucune information utile, on peut donc la supprimer ainsi qu'une des deux bandes latérales pour obtenir plus de puissance.

Le procédé d'émission en B.L.U. est semblable au procédé A.M., à l'exception qu'on y a ajouté dans un premier temps un modulateur équilibré.

Par ce truc ingénieux, on enlève la porteuse. On obtient alors une modulation à double bande latérale D.B.L. (D.S.B.). Ensuite, à l'aide d'un filtre étroit, on fait disparaître une des deux bandes latérales. Il ne reste qu'une bande qui est en fait le signal utile converti à une fréquence intermédiaire laquelle sera mélangée à l'oscillateur RF pour produire la fréquence d'émission désirée.

 2.1.  Distribution de la puissance en modulation d’amplitude A.M. :

La puissance totale émise par un émetteur A.M. est donnée par la relation suivante (calcul simplifié) :

Avec          r = résistance interne de l’émetteur

R = résistance d’utilisation ou impédance d’entrée de l’antenne d’émission

Dans les calculs qui vont suivre :

c est mis pour carrier ou Porteuse

m représente le signal modulant ou signal utile

Si on néglige r devant R, P = V2/R

PTOT = PPORTEUSE + PBLI + PBLS

Étant donné que l’amplitude d’une bande latérale est fonction de mVC/2, la puissance de chaque bande latérale est de :

                      m2

PBLI = PBLS = ------ x Pc

                      4

La puissance totale est donc :

             Vc2        (mVc)2        (mVc)2           m2Pc        m2Pc              m2Pc

PTOT = ------ + --------- + -------- = Pc + -------- + --------- = Pc + -------

             2R          8R            8R                 4             4                   2 

                         m2

PTOT = Pc ( 1 + ------ )

                         2

Le rendement d’une émission A.M. sera :

= PBLI / PTOT = m2 /2(2 + m2

Pour un taux de modulation de 100 % (m=1), le rendement sera de h = 1/6

La puissance totale émise est alors PTOT = 3 x Pc / 2 = 1.5 Pc

L’onde porteuse a toujours une amplitude égale à deux fois celle des bandes latérales et 67 % de la puissance est employée à produire la porteuse.

 

Puissance crête de l’enveloppe (PEP) : la puissance crête de l’enveloppe est communément appelée PEP pour “Peak Enveloppe Power”. C’est en fait la puissance efficace maximale du signal AM, elle est déterminée par l'équation suivante :

          Vc2

PEP =------ (1 + m)2 = Pc (1 + m)2

2 R

Lorsque m = 100 %, l’amplitude crête de l’enveloppe est deux fois plus élevée que l’amplitude crête de la porteuse seule. La puissance PEP vaut alors 4 x Pc. Ceci implique que pour obtenir un émetteur AM de 60W (donc une porteuse de 60W), il sera nécessaire d’avoir un amplificateur d’au moins 240W PEP.

Il faut aussi noter que le rendement augmente avec le taux de modulation et qu’une émission de qualité exigeait une transmission avec un indice de modulation faible. Il faudra donc adopter un compromis entre le rendement à l’émission et le taux de distorsion des signaux transmis.

 

2.2.    Puissances en modulation double bande latérale D.B.L. (DSBSC) :

La puissance utile du point de vue télécommunication est la puissance contenue dans les bandes latérales ; la composante à la fréquence porteuse qui ne transporte aucune information est inutile. Il y a gaspillage de puissance. On obtient la DSB à l’aide de modulateurs équilibrés, circuits symétriques qui permettent d’éliminer en sortie la porteuse tout en conservant les bandes latérales. Dans la pratique, ces modulateurs utilisent des diodes ce qui permet leur réalisation en circuits intégrés.

La puissance moyenne émise par un émetteur D.S.B. est donnée par la relation suivante (calcul intégral d’une modulation D.S.B.) :

                       Vc2

P moyenne émise = -----------      répartie sur les deux bandes latérale

                                4R

Pmoy = 2 x Pc

La puissance crête qui est la valeur maximale de la puissance RF est quant à elle égale à : PEP = 2 x Ptot

Avec l’exemple précédent (60 W pour produire la porteuse), cela donnerait :

P moyenne émise = Ptot = 2 x 60 W = 120 W entièrement répartis sur les deux bandes latérales soit 60 W par bande.

La puissance crête PEP = 2 x Pmoy = 2 x 120 = 240 W reste inchangée.

 

Le gain de la DSB par rapport à l’AM est de :

10 log (60/15) = 10 Log 4 = 6 dB

Les amplificateurs DSB sont des amplificateurs linéaires qui ont un moins bon rendement que les amplificateurs classe C des émetteurs AM. Le gain pratique par rapport à l’AM est alors de 5 dB.

2.3.   Puissances en modulation à bande latérale unique B.L.U. (SSB) :

On a vu que la DSB offrait un avantage considérable par rapport à la modulation d’amplitude. On peut aller plus loin dans la voie de l’économie en supprimant l’une des bandes latérales à l’émission. On réalise alors une émission en bande latérale unique.

La puissance totale émise se retrouve dans une seule bande latérale. Si on reprend les chiffres de l’exemple précédent on a :

Pmoy = 2 x Pc = 2 x 60 = 120 W (1 bande latérale)

PEP = 2 x Pmoy = 2 x 120 = 240 W inchangée

 

Le gain de la BLU par rapport à l’AM est de :

10 log (120/15) = 10 Log 8 = 9 dB

Les amplificateurs BLU sont des amplificateurs linéaires qui ont un moins bon rendement que les amplificateurs classe C des émetteurs AM. Le gain pratique par rapport à l’AM est alors de 8 dB.

Pour obtenir la même puissance utile qu’en BLU, on a besoin d’un émetteur AM huit (8) fois plus puissant. Un émetteur BLU de 10 W aura la même efficacité qu’un émetteur AM de 80 W. 

En BLU, une émission occupe un espace de 3 Khz au lieu de 6 Khz pour l’AM et la DBL. On peut donc mettre plus d’émetteurs BLU que d’émetteurs AM dans le même espace.

Résumé : s'il faut une puissance de 60 watts pour produire une porteuse, il faut donc 30 watts pour les bandes latérales (soit 15 watts par bande latérale): la puissance totale est de 90 watts. En éliminant la porteuse et en ne transmettant que les bandes latérales, ou une seule bande latérale, on utilise la puissance disponible à l'émetteur à un meilleur compte. 

Comme les deux bandes latérales contiennent les mêmes informations, on peut donc en enlever une et concentrer plus de puissance sur l'autre.

 

Pour retrouver le message émis, l'onde porteuse doit être réinsérée dans le récepteur, ce qui n'est pas un gros problème avec un circuit de détection convenable. 

3.    La translation de fréquence : le principal problème de l’émetteur BLU vu précédemment est qu’il ne peut fonctionner qu’à une seule fréquence. Afin d’éviter une situation impossible comme par exemple qu’un émetteur SSB n’ait qu’une seule fréquence d’émission, un dispositif de translation de fréquence est indispensable. Cette translation de fréquence est réalisée par un mélangeur.

Deux mélanges de fréquences sont possibles :

FOUT = Fosc + FSSB qui ne provoque pas une inversion de la bande latérale

Ou

FOUT = Fosc – FSSB qui provoque l’inversion de la bande latérale

FSSB provient d’un oscillateur à fréquence variable (en anglais: “Variable Frequency Oscillator” ou “VFO”) qui détermine la fréquence à être émise par l'antenne. Cet oscillateur est formé d'un circuit d'accord LC dont l'un ou l'autre des composants est variable: ce qui produit un changement de fréquence. Pour une fréquence donnée, on dit que L et C sont à la fréquence de résonance. Ce qui signifie que la réactance inductive est égale à la réactance capacitive:

(XL = XC)

Lorsque ces deux réactances sont égales, on a la fréquence de résonance dont la formule est la suivante:

 

Exemple : 

Si Fc = 455Khz et que 300 < Fm < 3Khz, alors le spectre du signal modulé SSB (USB=Bande latérale supérieure) couvrira la bande de 455.3Khz à 458Khz. Si par la suite le signal SSB est injecté dans un mélangeur avec un FSSB de 10 Mhz, alors nous obtiendrons les sorties suivantes :

 

Le principal avantage de cette double conversion est qu’il est beaucoup plus facile de filtrer la bande latérale superflue.

ÉMETTEUR EN CLASSE C

1. La classe C :

Très utile dans les multiplicateurs de fréquence et d'une manière générale à chaque fois que l'on a besoin d'un amplificateur fortement non linéaire, elle est utilisée dans l'amplification de puissance. Le principe est simple : il suffit que le dispositif amplificateur conduise seulement sur une fraction très faible du cycle, de manière à ne délivrer qu'une impulsion de forte puissance.

      1.Fixation du niveau DC
2. Polarisation par circuit de fixation d'un amplificateur classe C

1.1. Fixation du niveau DC

Durant la première alternance positive, la diode est polarisée en direct, le condensateur se charge à la valeur crête moins 0.7 volt soit  (12-0.7) = 11.3 volts

Pendant l’alternance négative, la diode est bloquée. À ses bornes, on a deux sources de tensions en série : la source alternative et le condensateur chargé à 11.3 volts.

Dans le cas d’un amplificateur en classe C, la diode D est représentée par la jonction base-émetteur du transistor (voir figure suivante). Ce dernier ne conduira qu’un court instant sur les crêtes positives du signal qui se retrouve sur sa base. La jonction base-émetteur et le condensateur C permettent de verrouiller négativement le signal comme le montre la figure précédente.

Bien évidemment, le dispositif sera fortement non linéaire, et il faudra restituer la partie manquante du signal par un circuit accordé à fort coefficient de qualité.

La figure ci-dessus le laisse apparaître clairement, seule une partie du signal d'entrée est amplifiée car elle a l'amplitude nécessaire pour débloquer le dispositif amplificateur qui est fortement polarisé pour le blocage. On obtient des impulsions en sortie de forte amplitude. Comme le dispositif n'est pas linéaire on l'utilise pour réaliser des mélangeurs, des multiplicateurs de fréquence. Le rendement est excellent et atteint 75%.

2.Polarisation par circuit de fixation d’un amplificateur classe C

La jonction base-émetteur fonctionne comme une diode. Lorsque le signal d’entrée devient positif, le condensateur C1 se charge à la valeur crête. Cette action produit une tension moyenne d’environ (– V crête). Le transistor est alors actionné en blocage sauf durant les crêtes positives, pour lesquelles le transistor conduit pendant un court instant. La constante de temps R1 x C1 doit être plus grande que la période du signal d’entrée.

La fréquence de résonance du circuit LC2 est  . La brève pulsation de courant au collecteur pour chaque cycle de l’entrée amorce et maintient en marche l’oscillation du circuit résonant pour produire une tension sinusoïdale à la sortie.

3. Différentes étapes d’un cycle

3.1.    La première pulsation fait conduire le transistor. Le condensateur se charge à +Vcc.

3.2. Après la pulsation, le condensateur se décharge rapidement et charge la bobine L.

3.3. Une fois le condensateur complètement déchargé, le champ magnétique de la bobine disparaît et recharge le condensateur mais dans la direction contraire à la charge précédente.

3.4. Le condensateur se décharge à nouveau et fait augmenter le champ magnétique de la bobine.

3.5. La bobine recharge rapidement le condensateur à une crête positive légèrement inférieure à la précédente, dû à la perte d’énergie dans la résistance de l’enroulement et complète le cycle.

 3.6. À la prochaine pulsation, le cycle recommence.

LES ONDES ÉLECTROMAGNÉTIQUES

Le canal de transmission radioélectrique est l’espace libre. Dans celui-ci, des ondes électromagnétiques ou ondes hertziennes, se propagent et jouent le rôle de porteuses. En effet, ces ondes sont des sinusoïdes de haute fréquence dont on fait varier soit l’amplitude (AM), soit la fréquence au rythme du message à transmettre. Ces ondes ne se propagent pas toutes de la même manière. Une même puissance, sous forme d’onde radio pourra aller très loin alors que sous forme de rayon lumineux, il suffira d’une feuille de papier pour tout arrêter suivant la fréquence (ou la longueur d’onde l = c / f), les ondes électromagnétiques empruntent des chemins différents, observent des lois diverses.

Les principales caractéristiques des ondes électromagnétiques sont :

·         Le rayonnement

·         La réflexion

·         La réfraction

·         La diffraction

Si on soumet une antenne à une onde électromagnétique, elle est irradiée dans l’espace mais elle est soumise à différentes contraintes qui composent l’environnement terrestre

En gros, il y a trois modes de propagation

      1. Propagation par ondes de sol
2. Ondes réfléchies par l'ionosphère
3. Propagation par ondes directes ou d'espace
4. Spectre des ondes électromagnétiques
5. Nomenclature des fréquences

1. Propagation par ondes de sol ou de surface

Pour les grandes longueurs d’onde, l’onde se propage le long du sol

Elle glisse en quelque sorte parallèlement à la surface terrestre et s’affaiblit avec la distance. Sa portée dépend de la nature du sol rencontré ; la propagation est meilleure au-dessus de la mer qu’au-dessus du sol parfaitement sec. D’autre part, la portée de l’onde de sol croît avec la puissance de l’émetteur. Enfin les ondes de sol ne sont pas influencées par les saisons, l’heure du jour ou de la nuit. C’est le cas :

Des ondes myriamétriques ou VLF (très basses fréquences) : 3 Khz à 30 Khz

Des ondes kilométriques ou LF (basses fréquences) : 30 Khz à 300 Khz

Des ondes hectométriques ou MF (moyennes fréquences) : 300 Khz à 3000 Khz

Ces fréquences sont définies par le règlement des radiocommunications de l’UIT (union internationale des télécommunications), édité en 1959 à Genève.

2. Ondes réfléchies par l’ionosphère

Plus la fréquence augmente, plus l’onde de sol devient négligeable. Pour f > 3 Mhz, les ondes de sol cessent pratiquement d’exister au bout de quelques kilomètres ; il n’est donc plus question de compter sur ce mode de propagation. Les ondes courtes ou HF (hautes fréquences) ou ondes décamétriques : 3 Mhz à 30 Mhz se réfléchissent sur les couches ionisées de la haute atmosphère pour retomber sur terre à des distances considérables (3000 Km). Une double réflexion peut même avoir lieu.

L’atmosphère qui nous enveloppe est une masse de gaz considérable. On a l’habitude de la diviser en trois parties :

·         La troposphère haute de 6.5 mi soit 10 Km

·         La stratosphère haute de 30 mi soit 50 Km

·         L’ionosphère haute de 250 mi soit 400 Km

Si nous dépassons une certaine limite, appelée fréquence critique, l’onde traverse successivement toutes les couches de l’ionosphère et ne sera pas renvoyée vers le sol. La fréquence critique se situe aux alentours de 30 Mhz

3. Propagation par ondes directes ou d’espace

Si l’émetteur et le récepteur sont suffisamment rapprochés l’un de l’autre (50 km pour une antenne haute de 200 mètres), la liaison peut s’établir par ondes d’espace.

C’est le cas :

Des ondes métriques ou VHF (très hautes fréquences) : 30 Mhz à 300 Mhz

Des ondes décimétriques ou UHF (ultra hautes fréquences) : 300 Mhz à 3000 Mhz

Ces ondes sont réfléchies par des obstacles tels que les arbres, les bâtiments, etc.

4. Spectre des ondes électromagnétiques

5. Nomenclature des fréquences

Le spectre des fréquences radioélectriques est divisé en neuf bandes conformément au règlement des radiocommunications de l’U.I.T. (Union Internationale des Télécommunications), édité à Genève en 1959.

Gamme de fréquences

Subdivision

métrique

Utilisateurs

Type de

propagation

VLF (très basses fréquences)

3 Khz à 30 Khz

Ondes myriamétriques

Radionavigation

Ondes de sol

LF (basses fréquences)

30 Khz à 300 Khz

Ondes kilométriques

Radio GO (Europe)

Ondes de sol

MF (fréquences moyennes )

300 Khz à 3000 Khz

Ondes hectométriques

Radio AM, CB

Radio PO (Europe)

Ondes de sol

HF (hautes fréquences)

3 Mhz à 30 Mhz

Ondes décamétriques

Radio OC, CB

Ondes réfléchies par l’ionosphère

VHF (très hautes fréquences)

30 Mhz à 300 Mhz

Ondes métriques

Téléphone sans fil, Télévision, contrôle aérien, radio FM,CB

Ondes directes

UHF (ultra hautes fréquences)

300 Mhz à 3000 Mhz

Ondes décimétriques

Télévision, téléphone cellulaire, téléappel (paging), fours à micro-ondes

Radiodiffusion audio numérique

Ondes directes

SHF (supers hautes fréquences)

3 Ghz à 30 Ghz

Ondes centimétriques

Satellites, radars

EHF (hyperfréquences)

30 Ghz à 300 Ghz

Ondes millimétriques

Satellites

300 Ghz à 3000 Ghz

Ondes décimillimétriques

Satellites

* EHF = Extremly High Frequency, GO (LW)=Grandes ondes, PO (MW)=Petites ondes, OC=ondes courtes.

LA RÉCEPTION DES SIGNAUX

      1. Fonctions d'un récepteur radio
2. Choisir un bon récepteur
3. Le récepteur AM

1. Le récepteur radio a pour fonction de:

·         capter les signaux transmis à l'antenne. En radio et en télévision, les signaux qui arrivent au récepteur sont des ondes porteuses électromagnétiques, émises par un émetteur. Lorsque ces ondes rencontrent l'antenne de réception, elles y provoquent un faible courant. La fréquence et l'amplitude de ce courant varient suivant le signal émis par l'antenne d'émission.

·         choisir le signal voulu. Les signaux d'un grand nombre d'émetteurs atteignent l'antenne de réception. Le récepteur doit sélectionner le signal voulu. Chaque émetteur émet sur une fréquence différente de celles des autres émetteurs, tandis que le récepteur contient des circuits qui sont réglés uniquement sur la fréquence que l'opérateur veut recevoir. Plus le nombre de circuits accordés utilisés est grand, plus l'accord est pointu. En réglant ces circuits sur la fréquence de signal de l'un des émetteurs, vous pouvez sélectionner le signal voulu et rejeter tous les autres.

·         amplifier ce signal haute fréquence. Les courants captés par l'antenne sont extrêmement faibles. Pour amplifier ces signaux faibles avant qu'ils n'arrivent au détecteur, on se sert d'amplificateurs haute fréquence.

·         détecter ou démoduler le signal de la porteuse. Dans un récepteur, le dernier amplificateur haute fréquence est suivi d'un étage détecteur. Celui-ci a pour fonction de séparer "l'enveloppe" du signal, de la haute fréquence porteuse. Puisque l'enveloppe est la modulation du signal, on peut dire que le détecteur est un "démodulateur".

·         amplifier le signal acoustique ou l'image. Dans un récepteur radio, le signal de basse fréquence obtenu à la sortie du détecteur doit être amplifié jusqu'à ce qu'il soit suffisamment fort pour faire fonctionner des écouteurs ou un haut-parleur et qu'il devienne ainsi audible. Pour sa part, l'amplificateur vidéo reçoit le signal du détecteur et l'amplifie, de sorte qu'on puisse le voir sur l'écran.

2. Choisir un bon récepteur

Tout bon récepteur doit posséder les qualités suivantes:

·         sensibilité,

·         sélectivité,

·         fidélité,

·         stabilité,

·         rapport signal sur bruit.

a) La sensibilité

La sensibilité d'un récepteur est la faculté qu'a ce dernier d'amplifier des signaux recueillis à l'antenne. On peut définir la sensibilité comme la capacité du récepteur de capter des signaux faibles, de les amplifier et de fournir des signaux de sortie utilisables.

Quel que soit le type d'appareil dont le récepteur fait partie, la sensibilité est importante, car beaucoup de signaux d'entrée que le récepteur doit amplifier sont extrêmement faibles. Seul un récepteur sensible peut fournir un signal de sortie utilisable à partir d'un signal d'entrée faible. Certains récepteurs arrivent à capter des stations émettrices lointaines, d'autres pas: de fait, la conception des récepteurs diffère et les premiers ont une sensibilité plus grande que les seconds.

La sensibilité va dépendre essentiellement des circuits amplificateurs installés dans le récepteur.

b) La stabilité

La stabilité d'un récepteur traduit la propriété qu'a ce dernier de conserver une bonne réception une fois ajusté à la fréquence choisie.

La stabilité d'un récepteur dépendra avant tout des circuits électriques car les variations de température ou d'alimentation électrique du récepteur peuvent modifier leurs performances.

Ainsi une mauvaise stabilité peut se traduire par la perte de la station captée, ce qui nécessitera d'ajuster à nouveau le récepteur à sa fréquence de réception.

c) La sélectivité

La sélectivité est la capacité d'un récepteur de sélectionner le signal voulu et de discriminer tous les autres signaux. Si tous les signaux arrivant à l'antenne étaient amplifiés, le signal de sortie, bien qu'assez bon, serait inutilisable en raison de l'interférence causée par la présence de signaux indésirables.

La sélectivité d'un récepteur reflète la capacité qu'a ce dernier de mieux isoler une émission parmi tant d'autres. La plupart d'entre nous ont pu remarquer que dans certains récepteurs, nous pouvons entendre deux stations simultanément. Cela provient du fait que les récepteurs sont dotés d'une très mauvaise sélectivité.

La possibilité d'isoler une station parmi d'autres dépendra surtout de la qualité des filtres utilisés ou, plus exactement, de la réponse de ces filtres.

d) La fidélité

La fidélité d'un récepteur traduit la faculté qu'a ce dernier de reproduire aussi fidèlement que possible le message.

La fidélité d'un récepteur sera d'autant meilleure que le signal modulé sera détecté avec un minimum de distorsion.

La distorsion d'un signal peut se traduire par des modifications d'amplitude ou de phase et plus rarement de fréquence. Elle peut provenir tant des circuits (filtres, amplificateurs, bruits électriques) que des voies de transmission (bruits électromagnétiques ou ionosphériques).

Contrairement à la sensibilité ou à la sélectivité, la fidélité peut être une qualité subjective: deux auditeurs peuvent avoir une appréciation différente de la fidélité du même récepteur.

e) Le rapport signal sur bruit

Le rapport signal sur bruit gagnera à être aussi élevé que possible. Les bruits électriques dans un récepteur s'additionnent à l'information. Leur effet devra être minimisé sans quoi il sera difficile de discriminer information et bruits. À la limite, les bruits peuvent totalement couvrir l'information qui devient alors indécodable.

Le rapport signal sur bruit a une grande influence sur la fidélité du récepteur. Mais ce n'est pas nécessairement le seul facteur: en effet, on peut reconstituer une information dotée d'un haut rapport signal sur bruit mais elle resterait franchement inintelligible si elle avait subi trop de distorsions.

3. Le récepteur AM

3.1. Schéma bloc du récepteur

En radiodiffusion AM commerciale la fréquence des ondes reçues varie de 535 Khz à 1705 Khz. Le signal capté par l’antenne est en général très faible, de l’ordre de quelques micro-volts ou plus selon la position de l’émetteur. L’antenne est couplée à un circuit oscillant d’entrée du récepteur. À la résonance, le courant induit est plus important. Les CB fonctionnent dans les bandes MF, HF et VHF de 1.705 Mhz à 50 Mhz.

3.2. L’antenne

Une source de courant alternatif à haute fréquence qui alimente une antenne d’émission crée un champ électromagnétique qui se propage dans l’espace.

Ce champ électromagnétique crée à son tour, dans une antenne de réception, un courant de même nature que celui qui lui a donné naissance

Par conséquent une antenne est avant tout un transformateur d’énergie.

Les antennes d’émission transforment l’énergie électrique en ondes électromagnétiques aussi appelées ondes Hertziennes qui se propagent à la vitesse de la lumière.

Les antennes de réception convertissent les ondes électromagnétiques qu’elles interceptent en énergie électrique que les circuits du récepteur vont utiliser.

Une antenne a la propriété d’être utilisée aussi bien en émission qu’en réception. Cette propriété est appelée réciprocité. Elle établie une liaison radio entre l’émetteur et le récepteur.

Caractéristiques d’une antenne

Les principales caractéristiques d’une antenne sont :

  • Le gain
  • La sélectivité ou bande passante
  • L’impédance
  • La hauteur effective
  • La directivité

On peut dire de façon générale, que le fait d’accroître le diamètre des conducteurs d’une antenne, élargit la bande passante.

Le gain lui est augmenté, en augmentant le nombre de directeurs (antenne Yagi)

On augmente la hauteur effective en mettant une bobine en série et on diminue cette hauteur en plaçant un condensateur en série.

La fréquence de résonance d’une antenne est déterminée uniquement par sa longueur.

Dans les hautes fréquences (FM et TV), l’antenne résonante est un conducteur horizontal dont la longueur est égale à la moitié de la longueur d’onde λ de la fréquence à capter ( λ  = c / f)

À haute fréquence se produit ce qu’on appelle "l’effet de peau" (skin effect). Les ondes circulent en surface et non à l’intérieur du conducteur. Donc en hautes fréquences, on utilise mieux des tubes ou des rubans minces plutôt qu’un câble massif.

L’antenne doublet ou dipôle

Comme son nom l’indique, l’antenne dipôle a deux pôles : le signal et la masse. C’est l’antenne la plus simple, l’élément horizontal de longueur ( λ  / 2) que l’on a coupé au milieu pour le raccordement à la prise d’antenne 75  du récepteur ou de l’émetteur.

Le doublet est matérialisé dans le commerce sous forme de deux brins télescopiques orientables.

Chaque antenne possède sa propre impédance en fonction de sa forme, de sa position, de son nombre d’éléments. Cette impédance doit être exactement la même que celle de l’émetteur ou du récepteur et de la ligne de transmission.

La prise BNC de 50  d’un récepteur doit être connectée à une antenne de 50  par l’intermédiaire d’un câble coaxial de 50 . Le système est alors adapté.

elle est omnidirectionnelle mais elle possède un gain de 3.5 dB. Exemple : soit un émetteur de 100 W, La puissance apparente rayonnée sera de 100 W + puissance apportée par le gain de l’antenne – pertes dans les câbles è PAR = 200 W.

On peut augmenter la PAR en plaçant plusieurs dipôles les uns au dessus des autres à une distance de 2.50 m. Avec 4 dipôles, on arrive à PAR = 1000 W environ. Plus le nombres de dipôles augmente, plus l’antenne devient directive.

L’antenne trombone (dipôle replié)

C’est un doublet dont on a joint les deux extrémités par un élément (l / 2) ou plus concrètement un élément de longueur λ plié au quart et aux trois quarts pour que ces extrémités soient à quelques centimètres l’une de l’autre où nous ferons les raccordements du câble. La puissance est sensiblement la même que celle du doublet mais l’impédance est de 300 .

L’antenne Yagi

C’est un trombone excité par des éléments (λ/2) voisins et parallèles qui entrent eux aussi en résonance mais en transmettant une partie de leur énergie au dipôle par rayonnement. On les appelle des éléments parasites.

L’élément situé derrière le dipôle et plus long s’appelle réflecteur. Celui ou ceux situés devant et plus courts sont des directeurs. Le nombre de directeurs n’est pas limité. Par la conjugaison de leur résonance et du rayonnement reçu de leurs prédécesseurs, ils constituent des étages d’amplification jusqu’au dipôle.

Par rapport au trombone seul, le gain est de 7 dB (tension multipliée par 2.24) avec trois éléments et de 11 dB (tension multipliée par 3.5) avec six éléments (nombre d’éléments = directeurs + dipôle + réflecteur)

En général plus le gain de l’antenne est grand, plus sa bande passante diminue. Lorsque le gain augmente, l’antenne devient de plus en plus directive.

À gain égal, plus la fréquence est grande, plus l’antenne est petite. La dimension est en rapport avec la longueur d’onde.

Analogie d’optique

Le rôle des éléments passifs, réflecteur et directeurs est de concentrer l’intensité du champ électromagnétique sur le dipôle qui représente l’élément actif de l’antenne.

On peut imaginer un système optique équivalent destiné à concentrer les rayons du soleil sur un objet dont on voudrait élever la température. Le réflecteur de l’antenne peut se comparer au miroir du dispositif optique.

Résistance de rayonnement d’une antenne

À ne pas confondre avec la résistance ohmique qui est inférieure à 1 .

Une antenne est caractérisée par sa résistance de rayonnement qui est la valeur d’une résistance qui alimentée par la même énergie que celle qui est rayonnée par l’antenne serait traversée par le même courant. C’est évidemment une résistance fictive.

Exemple : P = 2.7 mW et I = 3 mA => R = P / I2 = 300 

Niveau du signal à l’antenne

Si nous souhaitons une très bonne qualité d’image, nous devons disposer de :

  • 1mV en VHF
  • 1.25 mV en UHF
  • 200 mV en FM

Lors de l’installation d’une antenne, il faut tenir compte des pertes dues :

  • Au câble coaxial (0.2 dB/m en UHF, 0.1 dB/m en VHF et 0.08 dB/m en FM)
  • Aux dérivateurs (splitter, balun, etc.)

Antenne Ground plane : Antenne omnidirectionnelle placée dans le centre de la zone à desservir mais elle ne possède pas de gain.

3.2.1. Circuit d’entrée

La résonance

Un circuit résonant est un assemblage d’éléments R, L, C, dont la courbe de réponse en fréquence est semblable à la suivante.

La réponse est maximale à la fréquence Fo et décroît de part et d’autre de cette fréquence. Le circuit résonant sélectionne les émetteurs désirés et permet aussi de réaliser l’adaptation d’impédance entre l’antenne de réception et le premier étage du récepteur (amplificateur RF).

La diode à capacité variable (diode varicap ou varactor)

Comme son nom l'indique, cette diode présente une capacité variable en fonction de la tension qui est appliquée à ses bornes. On l'utilise dans les circuits d’entrée d’antenne et dans les oscillateurs commandés en tension (VCO).

La diode varicap est une diode au silicium optimisée pour cette propriété. Comme la tension commande la capacité, elle remplace le condensateur accordé mécaniquement dans de nombreuses applications (télévision, radio etc.). Elle est toujours polarisée en inverse.

Symbole

Les fiches signalétiques des diodes à capacité variable donnent la capacité de référence mesurée à une tension inverse particulière, ordinairement –4V. La capacité de référence donnée par la fiche d’une diode 1N5139 (NTE), par exemple est de 6.8 pF à –4V avec un ratio de 2.7 et un VBR de 30 volts. (CT = 2.5 pF à 6.8 pF).

3.3. L’amplificateur RF

Le premier étage est un amplificateur RF destiné à amplifier le signal reçu mais aussi à maintenir le rapport signal / bruit constant. Dans les récepteurs radio AM "grand public", cet étage n’existe généralement pas. Lorsque cet étage est présent, il emploie généralement un amplificateur à faible bruit et c’est le cas des amplificateurs à transistor FET.

3.4. Oscillateur local et mélangeur

·         Un oscillateur local produit une fréquence Fo qui interfère avec la fréquence reçue Fc. Le signal résultant de ce mélange est complexe et comprend les fréquences Fc, Fo, Fo–Fc, Fo+Fc et de nombreux harmoniques. La cause est la non linéarité de la caractéristique de la jonction base émetteur du mélangeur.

·         À la sortie du mélangeur, on place un circuit accordé sur Fo – Fc = 455 Khz (radio AM commerciale) ou sur Fc – Fo = 455 Khz (radio mobile et téléphonie). Cette fréquence est appelée "fréquence intermédiaire". Elle devient la nouvelle porteuse de toutes les stations reçues. Ce principe, qui permet de transformer toutes les fréquences porteuses reçues en une fréquence fixe plus faible, est appelé "superhétérodyne". L’amplification de la IF est alors plus facile. Le mélangeur permet donc de faire un changement de fréquence porteuse.

IF = Fo – Fc ou IF = Fc – Fo

Fo = Fc + IF ou Fo = Fc - IF

Fc = Fo – IF ou Fc = Fo + IF

·         Les amplificateurs IF sont faciles à réaliser. Leur amplification est importante et uniforme quelle que soit l’onde reçue.

3.5.    Fréquence image :

S’il n’y a pas de circuit résonant d’entrée ou un circuit résonant à large bande, on peut recevoir deux stations en même temps. Exemple : on syntonise 600 Khz en radio AM commerciale, l’oscillateur local fonctionne alors à :

Fo = Fc + IF = 1055 Khz

On reçoit également à l’antenne la porteuse à 1510 Khz.

Au mélangeur, les deux porteuses produisent la fréquence IF de 455 Khz

Fc = 600 Khz, Fo =1055 Khz

FoFc = 455 Khz = IF 

Fc = 1510 Khz, Fo =1055 Khz

FcFo = 455 Khz = IF 

La fréquence de 1510 Khz est appelée fréquence image de 600 Khz 

Fréquence image = Fc ± 2 x IF 

Fréquence image = Fc + 2 x IF si la fréquence de l’oscillateur local est plus grande que la fréquence de la porteuse (Fo > Fc).

Fréquence image = Fc - 2 x IF si la fréquence de l’oscillateur local est plus petite que la fréquence de la porteuse (Fo < Fc).

Dans le cas de l’exemple ci-dessus (radio AM commerciale), on a

Fréquence image = 600 Khz + 2 x 455 Khz = 1510 Khz

Pour éviter ces signaux indésirables, on utilisera des circuits résonants d’entrée à bande étroite. Le condensateur variable est alors remplacé par une diode varicap contrôlée par un microprocesseur, par un circuit PLL (boucle à verrouillage de phase –voir plus loin dans le cours- ) ou par une simple résistance variable.

Dans les radios mobiles qui utilisent un circuit résonant d’entrée à bande large, on fera un double changement de fréquence pour éliminer les fréquences images.

Les radios mobiles à modulation d’amplitude “AM” possèdent 40 canaux allant de 26.965 Mhz à 27.405 Mhz.

Supposons une radio mobile avec un seul changement de fréquence, une fréquence IF de 455 Khz et une fréquence porteuse supérieure à la fréquence de l’oscillateur local.

Si on syntonise le canal 40, l’oscillateur local fonctionne à la fréquence Fo = Fc – IF = 27.405 Mhz – 455 Khz = 26.950 Mhz.

La fréquence image du canal 40 est Fréquence image = Fc – 2 x IF

Fréquence image = 27.405 Mhz – 910 Khz = 26.495 Mhz

Au mélangeur, les deux porteuses, celle du canal 40 et celle de la fréquence image produiront la fréquence IF de 455 Khz. En effet :

FoFc = 27.405 Mhz -26.950 Mhz = 455 Khz = IF 

FcFo = 26.950 - 26.495 Mhz = 4455 Khz = IF 

Le principe du double changement de fréquence est donné par le schéma bloc de la radio Uniden Pro 510 XL ci-après.

Largeur d’un canal : 6 Khz

Mode émission : Le VCO (oscillateur local) fonctionne à la fréquence de la porteuse. 

Fo = Fc 

Exemple : si on transmet sur le canal 19, Fo = 27.185 Mhz et Fc = 27.185 Mhz

Mode réception : 

Changement de fréquence : double

Circuit résonant d’entrée : sans diode varicap

Première fréquence intermédiaire : IF1 = 10.692 Mhz

Deuxième changement de fréquence : IF2 = 450 Khz

Oscillateur local VCO : Fo = Fc - IF

Exemple pratique : On reçoit un signal sur le canal 40 de la radio mobile Uniden

IF1 = 10.692 Mhz

IF2 = 450 Khz

Fc = 27.405 Mhz

L’oscillateur local variable (VCO) fonctionne alors à la fréquence :

Fo1 = Fc – IF1 = 27.405 Mhz – 10.692 Mhz = 16.713 Mhz 

L’oscillateur fixe fonctionne quant à lui à la fréquence :

Fo2 = IF1 – IF2 = 10.692 Mhz – 450 Khz = 10.242 Mhz.

Cette fréquence de 10.242 Mhz est fournie par l’oscillateur de référence qui est le cristal.

La fréquence image du canal 40 est 

(Fc – 2 x IF) = 27.405 Mhz – 2 x 10.692 Mhz =  6.021 Mhz.

Cette fréquence étant trop éloignée de la gamme de fréquence du CB ne peut traverser le circuit à large bande d’entrée. 

  

3.6. Les étages IF

Les étages IF constituent une interface entre le signal fourni par l’oscillateur mélangeur et l’étage de détection. Le gain global désiré est de l’ordre de 70 dB. Dans le cas d’un récepteur à transistors, il suffira de calculer le gain maximal intrinsèque des transistors dont on dispose pour déterminer le nombre d’étages à utiliser.

Les étages IF sont alors essentiellement constitués d’amplificateurs accordés utilisant des transformateurs à un seul circuit accordé. Ces transformateurs sont des circuits magnétiques en pot fermé. Le schéma suivant précise leur brochage.

3.7. La détection

a) Le signal radio reçu est la superposition de deux signaux

- Un signal RF servant de porteuse

- Un signal BF constituant le signal utile (audio)

Le but essentiel du récepteur étant de restituer avec fidélité aussi importante que possible le signal utile, il conviendra donc d’éliminer le signal RF. C’est le but de la détection.

b) Détection d’une onde modulée en amplitude

La détection est l’opération qui consiste à extraire d’un signal radio électrique la modulation qu’il est chargé de transporter. Cette opération est également désignée sous le nom de démodulation. On démodule non pas pour extraire la porteuse mais pour l’éliminer et ne conserver que le signal modulant ou information utile (audio).

La détection dite d’enveloppe consiste à obtenir un signal proportionnel ou égal, si possible, à la variation d’amplitude du signal RF. L’opération de détection permet donc de reproduire l’enveloppe de cette amplitude en fonction du temps

Réalisation pratique

Le circuit RC doit présenter une impédance ayant une valeur bien plus forte en BF qu’en RF.

On choisit la capacité C pour que la condition RF soit remplie Xc < R

C > (1 / 2 π Fo R) avec Fo = 455 Khz

La condition BF est réalisée si Xc > R

R < (1 / 2 π F C) avec F = 5 Khz = Plus haute fréquence audio en AM

On est donc conduit à la double condition

       1                       1

------------ < R < -----------

 2 π Fo C               2 π F C

On se fixe C = 1000 pF = 0.001 µF

                       1                                                        1

------------------------------------ < R < -----------------------------------

  2 p x 455 x 103 x 0.001 x 10-6                  2 p x 5 x 103 x 0.001 x 10-6

349  < R < 31.83 K

On adopte un compromis et on choisit R = 20 K

Remarque

Lorsque les signaux sont de faible amplitude, il apparaît dans le signal détecté une distorsion car on se trouve dans le coude de la caractéristique de la diode. Ceci est d’autant plus vrai lorsque le taux de modulation est élevé.

3.8. La commande automatique de gain (AGC)

Introduction

Le champ recueilli par l’antenne peut varier dans des proportions considérables pour plusieurs raisons :

Le fading ou évanouissement dû, par exemple, au passage d’un avion à proximité de l’antenne de réception, l’avion jouant alors le rôle d’écran

Des causes atmosphériques (cas de réception à longue distance).

Des postes émetteurs puissants ou rapprochés etc.

Afin d’éviter à l’utilisateur d’avoir à retoucher constamment les réglages, on doit prévoir une commande automatique de gain.

Définition

La commande automatique de gain a pour rôle de maintenir à la sortie du détecteur (démodulateur) un signal aussi constant que possible malgré les variations du signal d’antenne.

Application

Le dispositif AGC a pour but de réduire le gain d’un ou de plusieurs étages d’amplification intermédiaire lorsque l’amplitude des signaux d’entrée est élevée ou au contraire de renforcer l’amplification lorsque l’amplitude précédente est faible.

La commande AGC est rarement appliquée à l’étage oscillateur mélangeur car cette méthode de contrôle pourrait entraîner l’arrêt des oscillations.

L’amplification peut être modifiée en faisant varier soit le courant émetteur (AGC inverse), soit la tension collecteur (AGC directe). On sait en effet que le gain d’un transistor est proportionnel au courant d’émetteur ou à la tension appliquée au collecteur. Plus le courant d’émetteur est élevé, plus le gain est élevé ; de même, plus la tension au collecteur est élevée, plus le gain est élevé.

Pour éviter les pertes de puissance importantes, au lieu de faire varier le courant émetteur directement, on préfère appliquer la tension de commande à la base du transistor du 1e étage IF. Les variations dans le courant "base émetteur" sont alors amplifiées.

Si le signal d’entrée est élevé, la tension appliquée réduit le courant de l’émetteur et par conséquent le gain de l’étage. Au contraire lorsque le signal est faible, la tension appliquée est moins élevée, ce qui donne naissance à un courant émetteur plus élevé et à un meilleur gain.

Gain d’un amplificateur

A = Vo / Vi = - Rc / r’e

r’e étant la résistance en alternatif d’émetteur. R’e = 25 mV / IE

D’où A = - Rc x IE / 25 mV. Si IE augmente, l’amplification augmente aussi.

Compte tenu du gain de l’amplificateur audio qui suit l’étage de détection, il est souhaité aux bornes de la résistance de détection une tension crête à crête du signal audio de 100 mV qui restera pratiquement indépendante du niveau capté grâce à la commande automatique de gain.

3.9. Réduction de bruit ANL (Audio Noise Limiter) : 

dans la plupart des récepteurs comme l’Uniden ou le Cobra, on retrouve un bloc qui limitera le bruit de fond causé par une variété de sources d’interférence : éclairs, allumage automobile, moteurs électriques, circuits de commutation haute puissance etc.

Le principe consiste à appliquer le signal venant de l’antenne à l’émetteur et à la base d’un amplificateur base commune dans des proportions bien définies. Si le pourcentage de modulation dépasse momentanément 90 %, le transistor passe en blocage et l’audio ne sera pas amplifié et cela implique qu’il n y aura pas de crachement dans le haut parleur lors de gros bruits.

3.10. Silencieux (Squelch)

Fondamentalement le Squelch est un système qui “coupe” l’ampli audio lorsque le signal reçu sur l’antenne est inexistant ou n’atteint pas une valeur suffisante. On évite ainsi l’irritation psychologique créée par le bruit de fond qui sort continuellement du haut-parleur du récepteur lorsque l’on est en attente d’un message à recevoir. On peut aussi ajuster le Squelch pour que le récepteur ne “réponde” qu’à des signaux de très forte amplitude sans que cela n’affecte sa sensibilité globale.

Un bon système de Squelch possède aussi une caractéristique d’hystéresis qui lui permet de “refermer” l’audio pour un signal à l’antenne plus faible que le signal “d’ouverture”. Tous les systèmes de Squelch donnent le même résultat à l’utilisation, mais le signal de référence utilisé varie d’un système à l’autre. On distingue principalement :

- AGC Derived Squelch : Ce système utilise la tension développée par l’AGC pour déclencher le fonctionnemnt de l’ampli audio. Plus le signal d’entrée est fort, plus la tension d’AGC est forte et plus le Squelch tend à “ouvrir” l’ampli audio (tout dépend de son ajustement) pour pouvoir reproduire le message reçu. Une résistance variable permet d’ajuster le niveau à partir duquel le Squelch est actif.

-  Audio Derived Squelch : employé surtout dans les récepteurs SSB, ce système détecte la présence d’un signal audio au démodulateur et “ouvre” l’ampli lorsque le signal atteint une amplitude moyenne suffisante.

-  Noise Derived Squelch : surtout employé dans les récepteurs FM, ce système de Squelch s’appuie sur la disparition du bruit de fond au récepteur (on appelle cela “quieting”) pour permettre le fonctionnement de l’ampli audio. Pour que le bruit de fond ne soit pas confondu avec le signal utile, on utilise un filtre passe-haut à 5Khz qui permet l’échantillonnage du bruit seulement au-dessus de cette fréquence. Le système n’est applicable que lorsque l’information à reproduire ne dépasse pas 3Khz (fréquences vocales seulement pour policiers, pompiers, radioamateurs, etc.)

- Voice Only Activated Squelch (VOAS) : (Smart Squelch, Constant Sinad Squelch (Motorola), Sillabic Squelch (Rohde & Shwartz)). C’est le meilleur des systèmes pour les communications vocales. Il ignore complètement le bruit de fond, la musique et le code morse : il ne réagit qu’à la voix humaine, même si celle-ci, au démodulateur, a une amplitude qui ne dépasse pas celle du bruit de fond. Le système est aussi applicable à d’autres usages que les récepteurs de communication.

3.11.   Le système ALC Automatic Level Control : 

Tous les émetteurs SSB possèdent un circuit de limitation de niveau de sortie (Automatic Level Control ou ALC). Ce dernier permet de limiter la puissance crête de l’enveloppe (PEP) de sortie en modifiant le gain de l’amplificateur audio par une contre-réaction provenant de la sortie. Ce contrôle empêche l’amplificateur final de l’émetteur de travailler à saturation ce qui entraînerait de la distorsion. Le système ALC se compose habituellement d’un mécanisme de détection de puissance de sortie convertie sous forme de tension DC et d’une forme quelconque de comparateur qui permet de détecter l’instant où l’amplitude de sortie tente de dépasser la puissance crête maximale de l’amplificateur de sortie. La sortie du comparateur est ensuite filtrée avec une constante de temps assez grande (1 à 3 sec.) et la tension DC résultante contrôle le gain de l’amplificateur audio ou, quelques fois, un amplificateur RF intermédiaire (précédant l’amplificateur de sortie).

Par conséquent, si le signal d’entrée à l’amplificateur audio devient trop élevé, le modulateur balancé fournit un signal de grande amplitude et l’amplificateur RF dépasse le PEP maximal permis par le système. L’ALC entre alors en fonction et diminue le gain de l’amplificateur audio.

3.12.      “S” Meter ou voyant de réception :

Le “S” Meter sur un récepteur de communication donne (lorsqu’il est calibré) une indication de l’amplitude du signal re¸u à l’antenne. Pour ce faire, on vient “lire” la tensionAGC du récepteur, qui est proportionnelle à la force du signal reçu. Plus le signal est fort, plus la déviation du voltmètre est grande. Si le “S” Meter est à Leds, plus le signal est fort, plus de Leds seront allumées.

PLL ET SYNTHÉTISEUR DE FRÉQUENCE

Le circuit "PLL" (Phase-Locked Loop) ou boucle à verrouillage de phase en Français est très employé en électronique. On le retrouve dans beaucoup d’applications :

  • télévision,
  • radio,
  • instruments de mesure,
  • générateurs etc.

On peut utiliser une boucle à verrouillage de phase pour ses qualités de sélectivité et de filtrage obtenues sans utilisations de bobines ou de selfs.

a) Schéma bloc

La figure suivante représente le schéma fonctionnel d’une boucle à verrouillage de phase dans sa forme la plus simple.

Le fonctionnement et le principe peuvent être brièvement résumés de la manière suivante : sans signal d’entrée, le système délivre une tension d’erreur nulle, le VCO oscille à une fréquence donnée Fo qui est appelée fréquence centrale ou fréquence libre. Si, à l’entrée du système on applique un signal, le comparateur phase/fréquence compare la phase et la fréquence du signal d’entrée et du signal de sortie du VCO et génère une tension d’erreur qui est fonction de la différence de phase ou de fréquence entre les deux signaux. Cette tension d’erreur est alors filtrée et appliquée à l’entrée de commande du VCO. Si la fréquence d’entrée du

VCO est suffisamment proche de Fo, la contre réaction de la boucle force le VCO à se synchroniser sur la fréquence d’entrée ; on dit alors que le système est verrouillé. Deux des paramètres d’une boucle sont : la plage de capture et la plage de verrouillage.

Plage de verrouillage :

Elle définit l’étendue de la fréquence au voisinage de Fo dans laquelle le PLL peut maintenir le verrouillage avec le signal d’entrée. Cette plage est aussi appelée plage de maintien et elle augmente en même temps que le gain de boucle.

Gamme de capture :

Cette gamme définit l’étendue de fréquences au voisinage de Fo pour lesquelles le système peut établir ou acquérir le verrouillage avec le signal d’entrée.

Elle est aussi appelée plage d’acquisition, elle est toujours plus petite que la gamme de verrouillage et est en étroite relation avec la bande passante du filtre de boucle. Elle décroît en même temps que la bande passante du filtre diminue.

La plage de verrouillage et de capture peut être illustrée par les courbes de la figure ci-après :

Pour la courbe "aller" la fréquence augmente progressivement, la courbe ne répond au signal d’entrée que lorsque la fréquence est supérieure à la limite inférieure F1 correspondant à la limite inférieure de la plage de capture. La boucle se verrouille alors sur le signal d’entrée en créant une tension d’erreur négative. Puis la tension d’erreur varie avec la fréquence qui passe par Fo. La poursuite fonctionne jusqu’à ce que la fréquence atteigne F2 correspondant à la limite maximale de la plage de verrouillage. Le PLL est hors verrouillage et la tension d’erreur s’annule.

Pour la courbe "retour" la fréquence d’entrée diminue au même rythme que précédemment, le cycle est modifié et devient le suivant : la boucle est asservie à partir de F3 et la poursuite fonctionne jusqu’à F4.

Les bandes délimitées par F1 et F3 et F2 et F4 correspondent aux plages de capture et de verrouillage du système.

Le PLL est donc composé d’un comparateur de phase, d’un filtre passe bas (LPF) et d’un oscillateur dont la fréquence est commandée ou asservie par une tension DC (VCO = Voltage Controlled Oscillator). On dit aussi que c’est un convertisseur tension-fréquence.

En radio et en télévision, la sortie verrouillée est appliquée au mélangeur (Mix) pour utilisation (production de la fréquence intermédiaire).

IF = Fo - Fc ou IF = Fc – Fo (Fo = fréquence de l’oscillateur local, Fc = fréquence de la station syntonisée).

IF = 455 Khz en radio commerciale AM, 10.7 Mhz en radio FM, 41.25 Mhz pour le son en télévision, 45.75 Mhz pour l’image en télévision. IF1 = 10.7 Mhz, IF2 = 455 Khz en téléphonie et en radio mobile terrestre.

La commande par synthèse de fréquence et microprocesseur

Lorsque le système PLL est programmable c’est à dire que sa fréquence de sortie est variable en fonction de la demande, on l’appellera "synthétiseur de fréquence".

Principe de la synthèse de fréquence

Le principe consiste à contrôler la fréquence de l'oscillateur local des sélecteurs de syntonisation. Afin d'obtenir une grande stabilité de l'oscillateur local, on le compare à un oscillateur à quartz par l'intermédiaire d'un diviseur programmable.

En changeant le rapport diviseur, on modifie la fréquence de l'oscillateur donc la fréquence de l'accord RF du récepteur.

Le taux de division correspondant à chaque canal est contenu dans une mémoire morte R.O.M. du microprocesseur. Le transfert d'un taux de division appelé par l'utilisateur vers le diviseur programmable permet le réglage de l'appareil sur la station désirée.

Pour opérer la sélection des canaux, il suffit donc de modifier le rapport de division N conformément au canal désiré.

Exemple de la synthèse de fréquence en radio mobile CNR-136 (40 canaux)

26.965 Mhz à 27.405 Mhz, IF1 = 10.7 Mhz

Fréquence de l'oscillateur local = Fréquence reçue - I F = 16.27 Mhz Mhz à 16.71 Mhz

Les nombres N = 1627 à 1671 correspondent aux 40 canaux autorisés. 1627 correspond au canal 1, 1671 au canal 40, 1628 au canal 2 etc. (voir tableau correspondant ci-dessous).

1e canal: 16.27 Mhz / 1627 = 10000 Hz

2e canal: (16.27 Mhz + 10 Khz) / 1628 = 10000 Hz

3e canal: (16.27 Mhz + 10 Khz + 10 Khz) / 1629 = 10000 Hz

etc.

Exemple de comparateur de phase : Le OU exclusif

Le signal alternatif de sortie est converti en une tension continue, par un filtre actif passe-bas, qui sera appliquée au VCO.

Le VCO (Voltage Controlled Oscillator) contrôle les variations de cette tension en provenance du filtre et les convertit en variation de fréquence.

Caractéristiques du tuner à PLL

·         Très haute précision de la fréquence d'accord ;

·         Grande stabilité de fonctionnement aux conditions de température et d'humidité. 

·         Pas de contact mécanique ;

·         Opération très rapide ;

·         Aucun préréglage du canal reçu ;

·         Accord direct avec 10 touches de 0 à 9 ;

·         Affichage du canal indiqué soit à l'écran soit sur LEDS ;

·         Exploration des canaux disponibles (auto programmation).

 

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