IMA4 2018/2019 P13

De Wiki de Projets IMA


Présentation générale

Description

Les systèmes de communication sans fil sont présents partout dans notre société actuelle. Si tous sont caractérisés par des normes différentes (WI-FI, Bluetooth, LTE... ect), le principe reste similaire: l'envoi du message modulé à transmettre via un émetteur, sa propagation dans l'air, puis sa réception et sa démodulation à l'aide d'un récepteur. Dans le cadre de ce projet, nous nous intéresserons à la conception d'un système de transmission/réception analogique. Une grande partie du travail sera donc consacrée au dimensionnement et à la réalisation matérielle de ce système. Après discussion avec mon tuteur, celui-ci m'a laissé le choix de nombreux permettre concernant la réalisation du projet, notamment concernant la bande passante du système. Il sera important de sélectionner une bande de fréquence libre afin de limiter les interférences avec d'autres appareils qui pourraient fonctionner sur cette même bande.

Objectifs

Ce projet doit me permettre d'acquérir des compétences dans les domaines suivants:

  • Conception de schematics sous Altium
  • Fabrication des circuits
  • Tests des circuits conçus


En fonction de l'avancée du projet, des objectifs plus ou moins ambitieux seront réalisés.

Dans un premier temps, il convient de dimensionner correctement le système, et donc les différents éléments électroniques de celui-ci (PLL, filtre(s),antennes...). Différents essais seront menés pour choisir la méthode de modulation la plus adaptée (FM ou AM).

Lorsque l'émetteur/récepteur fonctionnera, il serait intéressant de lui trouver un côté pratique. Étant musicien, je souhaiterais utiliser cet émetteur pour transmettre des données liées au son. J'ai par exemple pensé à en faire un jack de guitare sans fil. Il faudra donc penser le système en amont afin de limiter au maximum l'altération du signal transmis.

Enfin, si le temps me le permet, je souhaiterais intégrer un préamplificateur/égaliseur en sortie du récepteur.

Analyse du projet

Positionnement par rapport à l'existant

De très nombreux produits utilisent des systèmes de transmission sans fil. L'idée ici est d'en concevoir un qui se rapproche au maximum de ceux vendus dans le commerce, notamment concernant la qualité du signal transmis.

Analyse du premier concurrent

HARLEY BENTON

Harley Benton est un fabricant d'instruments et accessoires de musique premier prix. Dans leur très large gamme, Ils proposent un sytème de jack sans fil possédant les caractéristiques suivantes:

  • Bande 2,4 GHz
  • Réponse en fréquence: 20 - 20 000 Hz
  • Résolution: 24 bits / 48 kHz
  • Latence <5 ms
  • Portée jusqu'à 30 m

Ici, le système proposé est numérique. Cependant, il se rapproche tout de même de ce que nous souhaiterions réaliser.


JsF.jpg

Analyse du second concurrent

Scénario d'usage du produit ou du concept envisagé

Anatole est un guitariste émérite. Malheureusement, étant de nature timide et angoissée, il perd souvent ses moyens lorsqu'il monte sur scène. En effet, son jack étant trop court, il est obligé de jouer proche de son amplificateur. Ainsi, il n'entends que le son de sa guitare, et remarque donc chacune des erreurs qu'il commet! Il ne se rend donc pas compte que celles-ci passent inaperçus auprès de la foule. Grâce à son nouveau jack sans fil, il va pouvoir s'éloigner de son ampli et partager le concert avec le public.

Réponse à la question difficile

Pourquoi choisir une fréquence de transmission 5725-5875Mhz?

Le choix d'effectuer une modulation très haute fréquence s'explique d'abord par le fait que les antennes de réception et d'émission sont censées être de l'ordre de grandeur de la longueur d'onde. calcul de la longueur d'onde:  l=\frac{c}{f} On voit que donc que plus la fréquence de transmission est faible, plus la longueur d'onde est grande. Par exemple, pour un signal de 10Khz, on obtient une longueur d'onde de 30 000 m. On aurait ainsi besoin d'une antenne d'environ 30km , ce qui est à priori difficilement réalisable. à 5Ghz, on a en revanche une longueur d'onde de 0,052m. On pourra donc facilement dimensionner nos antennes de manière à les rendre compactes.


La bande 5725-5875 Mhz est l'une des bandes libres laissée à disposition en Europe. Une autre bande possible aurait été celle sur 2400-2483 Mhz. Cependant, cette bande est utilisée pour le Wifi, et est donc largement surchargée par de nombreux appareils, principalement les GSMs. Réaliser l'émetteur-récepteur sur cette bande pourrait donc provoquer des interférences, en contradiction avec la volonté d'obtenir le signal le plus propre possible.

Si la bande 5,725-5,875 Ghz possède une plus faible portée que la bande Wifi, cela n'est pas un problème pour nous étant donné que l'amplificateur et la guitare sont en principe proche l'un de l'autre. De plus, un amplificateur sera placé en sortie de l'émetteur afin de prévenir les soucis de puissance.

Quelle type de modulation choisir?

La question du type de modulation utilisé est primordiale. On partira sur de la modulation FM, qui présente bien des avantages lorsqu'on cherche à transmettre des ondes radios.

Avantages de la FM sur la AM:

  • Moins sensible aux parasites
  • Respecte la dynamique du signal musical
  • En AM, les deux tiers de l'énergie est inutilisée, alors qu'en FM, toute l'énergie émise contient de l'information.

La FM présente cependant un fort encombrement spectral, que l'on va déterminer ici:

encombrement spectrale:  ES = {2}\times{(mf + 1)}\times{Fm}

  • mf : indice de modulation
  • Fm : fréquence maximale à transmettre

on prend ici 5Khz comme fréquence maximale. On a donc l'indice de modulation suivant:  mf=\frac{\Delta f}{Fm}

  • {\Delta f} correspond à l'excursion en fréquence du signal basse fréquence. Ici, on a {\Delta f} = 5khz

on a donc mf = 1, et ES = 20 Khz.

On note la Bande haute fréquence utilisée : BHF. BHF = 150Mhz

ES << BHF. L'encombrement spectral ne pose donc aucun problème.

Préparation du projet

Cahier des charges

Choix techniques : matériel et logiciel

Le projet étant purement électronique, la majorité des composants sont déjà disponible à Polytech. La modélisation des circuits émetteur et récepteur se fera sous Altium. Je ne peux pour l'instant pas donner de liste de composants dont j'ai besoin étant donné que je dois avoir fini de modéliser et tester les deux circuits avec différents composants et différentes architectures avant d'avoir les circuits finaux.

Liste des tâches à effectuer

Calendrier prévisionnel

Réalisation du Projet

Feuille d'heures

Tâche Prélude Heures S1 Heures S2 Heures S3 Heures S4 Heures S5 Heures S6 Heures S7 Heures S8 Heures S9 Heures S10 Total
Analyse du projet 0 4 4 4 4 4

Prologue

Semaine 1

Obtention du signal FM

Avec la modulation de fréquence, on cherche en effet à obtenir un signal d'amplitude constante et de fréquence variable. L'obtention de ce signal modulé en fréquence se fait par le biais d'un VCO piloté par le signal modulant.

On fixe le point de fonctionnement du VCO en additionnant le signal modulant à une composante continue.

Nous obtenons ainsi en sortie du VCO le signal suivant:  f(t)=fo + k.s(t) avec f(t) le signal de sortie du VCO, fo le point de fonctionnement du VCO, k la pente de la caractéristique linéaire du VCO et s(t) le signal modulant.

Schema courbeVCO.jpg

Ce VCO sera probablement accompagné d'autres circuits électroniques permettant la mise en forme du signal avant et après sa modulation.

Semaine 2

En premier lieu, je vais donc me concentrer sur le dimensionnement de trois VCOs différents afin de comparer leurs performances. Ces trois VCOs seront réalisés en se basant sur trois architectures d'oscillateur différents:

  • L'oscillateur de Clapp
  • L'oscillateur Colpitts
  • L'oscillateur de Hartley


dimensionnement de l'oscillateur de Clapp

L'oscillateur de Clapp est un oscillateur très stable à haute fréquence. Il est donc idéal dans l'optique de la création d'un VCO fonctionnant au delà du Ghz.

Schéma de principe d'un oscillateur de Clapp

Les éléments du montage permettant l'oscillation sont les éléments Lo, C, C1 et C2. Cette oscillateur possède la pulsation suivante:  \omega o =\sqrt{(\frac{1} {C0}+\frac{1} {C1}+\frac{1} {C2})*\frac{1} {L}}

Il convient maintenant de modifier ce schéma afin d'obtenir un VCO à partir de cet oscillateur.

Pour cela, l'emploi d'une varicap sera d'une grande utilité. Une varicap est une diode, généralement polarisée en inverse, qui se comporte comme une capacité en variable en fonction de la tension négative appliquée à ses bornes. Mise en parallèle avec C0, elle permettra donc de faire varier la pulsation de l'oscillateur de Clapp. On obtient ainsi un VCO commandé par la tension appliquée à la varicap.

Schéma du VCO avec l'oscillateur de Clapp








On retrouve dans ce schéma la partie oscillante du circuit composée de C1 en parallèle de la varicap, L, C3 et C4. On a donc maintenant la pulsation suivante:  \omega o =\sqrt{(\frac{1} {C1+Varac}+\frac{1} {C3}+\frac{1} {C4})*\frac{1} {L1}}

La varicap intervenant dans le calcul de la pulsation, on a bien une oscillation qui varie en fonction de la valeur de celle-ci.

  • Les résistances R1 et R3 assurent la polarisation du transistor.
  • La résistance L permet d'avoir la majorité de la puissance de l'oscillateur qui repart vers la base du transistor. A haute fréquence, celle-ci se comporte en effet comme un circuit ouvert (très haute impédance). Elle assure ainsi que les oscillations ne se dissipent pas dans R2.







Semaine 3

Le schéma du premier VCO étant défini, il convient maintenant de le dimensionner pour qu'il fonctionne dans la bande passante prévue. Afin d'assurer un gain de boucle suffisant, on choisi d'avoir C3=C4.

Pour la partie oscillation, on choisi les composants suivants:

  • C1=1pF
  • C3=C4=0.1pF
  • L=15.7nH
  • Varac=[0.048 0.275]pF

Pour la polarisation du transistor, on choisi les composants suivants:

  • R=10Kohms
  • C5=100pF
  • R1=3Kohms
  • R3=100ohms
  • R2=220ohms
  • L(inductance de shock)~=20nH

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