IMA4 2018/2019 P13

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.

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

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.

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

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.

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