IMA5 2018/2019 P18

Présentation générale

Description

Cet article décrit le fonctionnement et la réalisation pratique d'un émetteur et récepteur à modulation de fréquence pour la bande de radiodiffusion commerciale de 88 MHz à 108 MHz.

Objectifs

L'objectif du projet est de réaliser à moindre coût un système de radio-diffusion dans la bande des très hautes fréquences ( very high frequency/VHF ).

L'opérateur pourra à l'aide de ce système émettre une onde HF à l'aide de la source sonore de son choix. En réception, l'opérateur pourra choisir la fréquence qu'il souhaite démodulé, en effectuant les réglages nécessaires à l'aide d'une petite commande et pourra ensuite écouter le signal démodulé à l'aide d'un petit haut-parleur.

Le système à réaliser doit être le plus performant possible en termes de qualité de signal ( rapport signal/bruit le plus faible possible ) mais doit aussi permettre d'effectuer une radiodiffusion de longue distance.

Préparation du projet

Choix techniques

La bande que nous avons choisi d'utiliser pour réaliser notre système FM est la bande de radio-diffusion des stations de "radio" dans laquelle a priori nous n'avons pas le droit d'émettre - la puissance émise doit être limitée à 50nW. Le spectre de fréquence est en effet une ressource rare et convoitée qui doit être partagée entre tous les acteurs des radio-diffusions ( GPS, Wifi, usage militaire, Radio FM...). Il est donc interdit d'émettre des ondes dans certaines bandes de fréquences afin de pas perturber le trafic.

Cependant, le choix que nous avons fait est motivé par des considérations pratiques de réalisation du projet. Dans la mesure où si nous avions utilisé la bande 144 Mhz ( désignée aussi par sa longueur d'onde : bande des 2 mètres ) qui est réservée à l'usage des radioamateurs, il aurait été plus difficile de tester séparément l'émetteur et le récepteur. En effet si l'émetteur est défectueux, il sera difficile de tester le bon fonctionnement du récepteur si aucune onde n'est émise dans la bande des 144 Mhz.Or nous savons que dans la bande 88Mhz 108Mhz, nous pouvons aisément testé le récepteur ( puisque les grandes stations émettent en continu ) et l'émetteur ( en émettant à une fréquence intermédiaire entre deux stations ).Du reste, il sera intéressant de comparer notre système de réception avec les radios commerciales; d'abord à l'écoute en comparant la pureté des signaux, ensuite en effectuant l'analyse des signaux démodulé à l'oscilloscope.

Liste des tâches à effectuer

Ce projet s'articulera autour de 5 grandes tâches à réaliser :

• Conception de l'architecture de l'émetteur et du récepteur
• Calculs des composants pour chaque fonction électronique
• Simulation des divers étages électroniques
• Réalisation du prototype de l'émetteur/récepteur
• Ajustements du système

Liste du matériel

Émetteur radio

• diodes zener
• transistors 2N2219
• diodes varicap BBY40
• ampli op TL081
• condo ajustable 6.5 30 pF
• self 47µH (alim émetteur)
• 47 kohm
• 6.8kohm
• 10kohm
• 3.3 kohm
• 1kohm
• 470 µOhm
• potentiomètres 10k (excursion émetteur )
• 18 pF
• 6.8 pF
• 22pF
• 1nF
• 10µF
• 100 nF
• 100kohms
• 220 kohms
• 120pF

Filtre RF

• diodes varicap BB202
• condensateurs ajustables 5/20 pF
• inductance 150 nH (filtre entrée récepteur)
• inductance 250 nH (filtre entrée, récepteur)
• 220 pF

Oscillateur de réception

• diodes varicap BB202
• transistors BC547
• transistors BFR92
• condensateurs ajustables 5/20 pF
• self 1 µH
• 4.7kohm
• 330 ohm
• 10kohm
• 1kohm
• 27pF
• 30pF
• 100 nF

Étage changeur de fréquence

• mélangeur
• filtres céramiques 10.7 MHz
• self 5.5 µH (alim SA612)
• 51 ohm
• 10 nF

Amplificateur limiteur / multiplieur

• système FM fi
• filtres céramiques 10.7 MHz
• inductance 180 µH (quadrature tank)
• condensateur ajustable (quadrature tank)
• 1pF (quadrature tank)
• 47 pF(quadrature tank)
• 150 pF

Amplificateur audio

• amplificateur audio
• potentiomètres 10k ( volume ampli)

Divers étages

• connecteur coaxial femelle
• régulateur de tension
• résistances 100k (Commande d'accord)

Réalisation du Projet

Prologue

Radiodiffusion : liaisons hertziennes

Dans les télécommunications, on distingue trois grandes familles de supports de transmission de l'information

• Liaisons filaires
• Liaisons optiques
• Liaisons hertziennes

L'intérêt principal des liaisons hertziennes réside dans l'absence de support physique entre l'émetteur et le récepteur. Pour des systèmes en mouvement, c'est parfaitement adéquat. Les inconvénients principaux des liaisons hertziennes résident également dans l'absence de support : puisque le milieu de transmission est partagée par tout le monde, comment faire pour que tout le monde puisse communiquer en même temps ? Cette difficulté impose une gestion stricte des fréquences. Chaque système dispose d'une bande de fréquence qui lui a été allouée.

Les recherches et évolutions technologiques concernant les liaisons hertziennes se concentrent essentiellement autour de la possibilité de transmettre un maximum d'information en occupant un minimum d'espace fréquentiel. La télévision numérique terrestre (TNT), par exemple, est une évolution technique en matière de télédiffusion, fondée sur la diffusion de signaux de télévision numérique. Par rapport à la télévision analogique terrestre à laquelle elle se substitue, la TNT permet de réduire l'occupation du spectre électromagnétique grâce à l'utilisation de modulations plus efficaces et d'obtenir une meilleure qualité d'image.

La transmission par liaison hertzienne consiste généralement à "accrocher" le signal basse fréquence ( information utile : voix, musique, vidéo... ) à une onde haute fréquence appelée porteuse. C'est l'opération de modulation.

Modulation FM vs modulation AM

Historiquement les premiers systèmes radio utilisaient la modulation d'amplitude (AM) pour transmettre les informations sonores. Le principe de la modulation d'amplitude fut découverte au milieu des années 1870 tandis que la modulation FM fut découverte dans les années 1930. La modulation AM a comme avantage de permettre une détection avec un appareil simple même si la puissance du signal n'est pas très importante. En contrepartie, même si les émetteurs utilisant ce type de modulation pouvaient transmettre les signaux sonores sur une bande de fréquence de 15kHz, les récepteurs ne permettaient généralement que de démoduler une bande de 5kHz, la richesse harmonique devient gravement amoindrie.

Le principal inconvénient de la modulation AM est que le signal est bien plus affecté par la transmission hertzienne. Le signal récupéré par le récepteur est de moins bonne qualité que dans le cas de la modulation FM. La modulation FM nécessite un système d'émission et de réception plus complexe que la modulation. Et bien que découverte en 1930, il faudra attendre les années 1990 pour que la plupart des stations de musiques abandonnent la modulation AM pour la modulation FM, permettant d'obtenir un meilleur signal en réception.

Antennes et bilan de liaison

L'antenne a un rôle très imporant dans les liaisons hertziennes, elle assure l'interface entre le circuit électronique et le milieu de propagation.

L'antenne est un dispositif réciproque:

- En émission, l'antenne reçoit un courant et une tension, elle génère un champ électrique et un champ magnétique.

- En réception, l'antenne reçoit un champ électrique et magnétique, elle génère tension et courant.

Le dimensionnement d'une antenne dans un système radio constitue un élément clé. En effet, dans le cas de la réception, si l'antenne n'est pas adéquate, la puissance reçue ne sera pas suffisante pour permettre au reste du circuit de l'exploiter, quand bien même les étages suivants utilisés sont particulièrement performants.

Dans le cas de l'émission, il faut optimiser la transmission de puissance entre le générateur et l'antenne.

L'impédance du générateur doit être égale à l'impédance de la ligne qui doit elle même être égale à l'impédance présentée par l'antenne. Si le système est désadapté, il existe un phénomène d'ondes stationnaires sur la ligne : une partie de l'énergie émise est réfléchie vers le générateur. On constate alors sur la ligne des minima et maxima de tension. Ainsi, pour caractériser l'impédance d'entrée de l'antenne, les constructeurs spécifient généralement le TOS ( taux d'ondes stationnaire ) de l'antenne. Le TOS représente le rapport entre la tension minimale et la tension maximale sur la ligne. plus l'impédance de l'antenne est proche de sa valeur idéale, et plus le TOS est proche de 1.

tableau TOS : Puissance réfléchie sur puissance émise.

Lors de la modélisation du système, il faut également s'intéresser à la bande passante de l'antenne. Celle-ci présente des caractéristiques optimales que dans une certaine bande de fréquence. Les dimensions de l'antenne sont liés à la longueur d'onde des ondes qu'on souhaite transmettre ou recevoir. Une antenne est donc un dipôle résonnant.

Dans notre cas, pour la bande FM, on pourra utiliser un fil en guise d'antenne filaire quart d'onde.

fig 1. antenne quart d'onde

Puisque la bande utilisée se situe autour de 100 Mhz, la longueur d'onde moyenne est de 3 mètres. Il faut donc, pour réaliser une antenne quart d'onde, une antenne d'environ 75 cm. Les ajustements peuvent être effectués lors de la réalisation pratique : on monte d'abord une antenne de dimension supérieur en coupant peu à peu le fil. En coupant petit à petit le fil, on devrait constater une augmentation de la puissance reçue puis une diminution. On notera la dimension de l'antenne pour laquelle le maximum est atteint.

Le bilan de liaison d'une liaison hertzienne permet de déterminer si le niveau de puissance reçu par le récepteur sera suffisant pour que la liaison fonctionne correctement. En effet si la puissance reçue est trop faible, le dispositif électronique de réception n'a pas la sensibilité nécessaire pour extraire le signal pertinent. La puissance reçue peut s'exprimer de la façon suivante :

$P_{R(dBm)}= P_{E(dBm)} + G_{E(dBi)} - A_{EL(dB)} + G_{R(dBi)} - L_{R(dB)}$

où : ' $P_{R(dBm)}$ et $P_{E(dBm)}$ désignent la puissance reçue par le récepteur et émise par le récepteur.

$A_{EL(dB)} = 20.\log\left(\frac{4.\pi.d}{\lambda}\right)$ désigne l'atténuation en espace libre, avec d la distance entre émetteur et récepteur et $\lambda$ la longueur d'onde

$G_{E(dBi)}$ et $G_{R(dBi)}$ désignent les gains d'antenne.

Le gain d'antenne traduit le fait que le rayonnement est privilégié dans une certaine direction de l'espace par rapport à une autre. Il est défini grâce à l'antenne isotrope ( antenne inexistante qui rayonne la même puissance dans toutes les directions de l'espace ). Soit un émetteur doté d'une antenne isotrope, P0 est la puissance reçue par un récepteur. On remplace maintenant l'antenne isotrope par une antenne directive, la puissance reçue par le récepteur est alors P1, plus importante que P0. Le gain d'antenne vaut alors :

$G_{dBi} = P_{1(dBm)} - P_{0(dBm)}$

Ainsi, lorsqu'on définit la structure de notre système de communication hertzien, plusieurs paramètres sont à prendre en compte. Certaines antennes peuvent ne pas capter dans toutes les directions mais leur gain d'antenne peut augmenter la puissance reçue sur le capteur, la distance qui sépare l'émetteur et le récepteur doit être suffisante pour remplir le cahier des charges. La fréquence de fonctionnement du système doit être prise en compte également : plus la fréquence est importante et plus l'atténuation en air libre sera grande.

On veillera dans tous les cas à dimensionner convenablement les équipements et disposer d'une certaine marge pour s'assurer des éventuelles atténuations supplémentaires qui peuvent être dues à des réflexions multiples ( fading ) ou à la météo ( pluie, neige ... )

Semaine 1

Architecture d'un système radio

les schémas ci-dessous représente l'architecture de notre système radio. Il s'agit d'une architecture classique à laquelle nous avons adjoint quelques fonctions électroniques annexes.

Structure de l'émetteur

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fig 1. antenne quart d'onde

Structure du récepteur

Architecture + solutions recherchées ( modulation am, modulation fm). Synoptique à télécharger Exemple de système fonctionnant ( matériel obsolète, recherche de nouvelles solutions... )

Semaine 2

recherche de fonctions électroniques.

Analyse des différents composants complexes du système ( mélangeur, changeur de fréquence, limiteur, filtre FI et céramique, choix de l'antenne, oscillateurs vs PLL, amplification, filtre d'entrée etc.) Dimensionnement des composants, calculs et autre à effectuer. Recherche de solutions permettant d'effectuer des ajustements rapides sur le montage fini ( condos variable, transformateur FI)

Semaine 3

Schémas des systèmes. Explication détaillée des différents points délicats de certains étages du circuit ( cf accord filtre:oscillateur et le bloc pour le détecteur à quadrature) Filtre LC : expliquer le principe. Filtre Céramique: idem. ampli : préaccentuation. Fonctionnement de l'oscillateur de Clapp coté récepteur, Fonctionnement de l'oscillateur côté émetteur : signal modulant dont l'amplitude joue sur le varactor, en conséquence la fréquence du signal oscillant va être légèrement modifié... Système robuste ? à vérifier héhé discussion sur les filtres d'entrée : risque pour ajuster et correctement accordé le circuit de réception.

Choix des composants, risque sur la tolérance ( système performant malgré la tolérance, parfois 20 % ! Partiellement compensé par les condensateurs ajustables.)

Semaine 4

Simulation Spice émetteur Schéma, peut être dupliqué... Justification du TL081 : Petit tour de passe-passe permettant de redresser le signal audio dans le positif pour que l'ampli OP puisse travailler correctement ( car l'alimentation est simple ). Voir schéma. Problème : offset de l'ampli OP .... ne délivre pas de tension en dessous de 1.5 V !!! Autre solution : analyse statique de la topologie... En modifiant la valeur de R2, on modifie la tension continue d'entrée de l'oscillateur. EN considérant que l'impédance du TL081 est infinie, on obtient que la tension au point OpV+ vaut U=R1/(R1+R2+R3)*Vcc... EN modifiant la valeur de R2 on obtient un signal gravitant autour de 6V... !

(modèle Spice proche de la réalité ... !!)

Attention à bien charger les modèles SPICE de TOUS les composants à utiliser dans le circuit. L'antenne dont le modèle SPICE était inexistant empêchait l'algorithme de converger et de donner l'analyse fréquentiel du système, solution : remplacer l'antenne par une charge de 50 ohms.

Modèle Spice pour les varactors à revoir... Impossible de faire osciller le système !! Revoir éventuellement le couplage inductif dans le modèle ( penser à la directive K Li Lj Lk coeff). Transistor bloquant passant à revoir également, leur condition de "bascule" cad le switch entre état passant et bloquant n'est pas remplie... à creuser ... )

OUI ! Modèle Spice des transistors 2n2219 qui n'était pas disponible, cette fois ça marche, les petites bascules fonctionnent parfaitement... ! Il y a aussi ce petit problème avec les inducteurs qui ne jouaient pas leur rôle de transformateur... Couplage des signaux sur les collecteurs des deux transistors qui a été possible grâce à ce nouveau modèle... Bien sûr il faudra l'enlever pour réaliser le PCB! Mais la simulaton est néanmoins concluante.