Les synoptiques

Attention : seuls les synoptiques sont au programme de l’épreuve de technique. Ne pas se laissez surprendre par :

• un schéma où l’imbrication des étages est peu commune

• ou par les schémas partiels

Les synoptiques (en anglais "block diagram")

• ne sont pas des schémas électriques

• mais des schémas de principes
- ils montrent comment s’enchaînent les différents étages d’un émetteur ou d’un récepteur.
- les liaisons entre les étages sont souvent omises
> sauf lorsqu’elles permettent de mieux expliquer le fonctionnement de l’ensemble.

Les différents étages RF ont été présentés dans le cours "technique - chapitre 7-2".

Les étages de modulation et de démodulation (ainsi que les modulations) seront vus dans le cours "Technique - chapitre 12".

Les étages sont représentés par des

• rectangles (cas général).

- l’indication de la fonction est à l’intérieur ou à côté.

• triangles (amplificateur)

 - la pointe indique la sortie
- l’amplificateur peut aussi servir de filtre passe-bande, passe haut ou passe-bas.

• cercles dans le cas suivants :

- oscillateur
- mélangeur
> flèches sur les 2 entrées
> croix de la multiplication

Récepteur sans conversion de fréquence (amplification directe)

Un synoptique de récepteur se lit de l'antenne vers le haut parleur.

• Un récepteur sans conversion se compose d'une série d'amplis RF accordés sur la fréquence HF à recevoir.

- S’il y a plusieurs fréquences à recevoir, les fréquences d'accord de RF1 et RF2 varient en même temps.
- Le démodulateur suit les étages RF et extrait le signal utile BF du signal HF.
- Un potentiomètre dose le niveau BF (liaison entre les étages)
- L’étage AF amplifie le signal utile appliqué au Haut Parleur.

Récepteur avec fréquence intermédiaire (FI)

Sans conversion, un récepteur est difficile à accorder sur une bande, surtout si les étages RF sont nombreux. Fin 1918, Lucien Lévy contourne cette difficulté avec son montage intégrant une fréquence intermédiaire.

• Le récepteur est alors qualifié de superhétérodyne

Le principe de la fréquence intermédiaire (FI) est de

• mélanger la fréquence à recevoire

• avec une fréquence variable générée par un oscillateur local calculée de telle manière que la fréquence à recevoir soit transférée sur une fréquence fixe, la FI, plus facile à filtrer.

• à la sortie du mélangeur se présentent deux fréquences, dont une est la FI, l’autre étant éliminée par filtrage.

Par rapport au récepteur à conversion directe, 

• seul le premier étage R.F. subsiste

• cet étage RF devient un filtre de bande.

• l’étage RF peut ne pas comporter d’amplificateur (filtres passe bande uniquement) pour être moins sensible à la transmodulation.

Le rôle de l’étage FI est d'améliorer

• la sélectivité

- faculté d’un récepteur d’extraire la fréquence à recevoir du signal reçu à son entrée
- utilisation de filtres dont les flancs seront les plus raides possible pour rejeter les signaux indésirables adjacents

• la sensibilité

- plusieurs étages amplificateurs (le plus linéaire possible)

Le démodulateur et les étages suivants sont identiques au récepteur sans conversion

Les fréquences de l'oscillateur local (FO), de la fréquence à recevoir (HF) et de l’étage de fréquence intermédiaire (FI) sont calculées de telle manière que l'on a :

Différence

• FI = HF – FO (mélange infradyne HF>FI)

• ou FI = FO – HF (infradyne si 2 x FI < FO, sinon supradyne)

Somme

• FI = FO + HF (mélange supradyne HF<FI)

Si la fréquence intermédiaire est plus basse que la fréquence à recevoir (FI<HF), le récepteur est infradyne.

• pour recevoir une fréquence HF plus élevée, il faut augmenter FO

• la fréquence à recevoir est translatée sur une fréquence inférieure et le spectre HF est inversé dans la FI (effet de la soustraction).

Dans le cas contraire (FI>HF), le récepteur est supradyne

• pour recevoir une fréquence HF plus élevée, il faut diminuer FO

• la fréquence est translatée sur une fréquence supérieure sans inversion de spectre

L’antenne reçoit le signal HF que l’on souhaite recevoir mais aussi tous les autres.

Le filtre de bande (avant le mélangeur) effectue un premier tri puis l’étage FI, grâce à sa sélectivité, extrait le signal désiré.

Dans le schéma ci-dessus, à droite du signal à recevoir, apparaît un signal adjacent qui pourra dégrader la réception une fois notre signal démodulé.

• pour supprimer complètement ce signal parasite, il faudrait un filtre FI avec une bande passante plus étroite.

Exemples de calcul de FI (revoir cours Technique - chapitre 07-2) :

• Calcul de FI (à partir de HF et FO)

- HF = 8 MHz
- FO = 5 MHz
> Réponse : les valeurs possibles sont :
> 8 + 5 = 13 MHz
> 8 – 5 = 3 MHz

• Calcul de HF (si on connaît FI et FO) – pas de question recensée

- FI = 9 MHz
- FO = 12 MHz
> Réponse : les valeurs possibles sont :
> FI = HF – FO donc HF = FO + FI = 12 + 9 =21 MHz (infradyne)
> FI = FO – HF donc HF = FO – FI = 12 – 9 =3 MHz (supradyne)
> vérifications : FI = HF – FO = 21 – 12 = 9 et FI = FO – HF = 12 – 3 = 9

Les récepteurs modernes sont dotés d’un étage DSP (Digital Signal Process, traitement digital du signal) situé avant l’amplificateur AF ou, de préférence, avant le démodulateur (sur la FI lorsque sa fréquence n’est pas trop élevée).

• le traitement numérique fait appel aux convertisseurs analogiques numériques (CAN) et aux transformées de Fourier (FFT).

Le signal, une fois numérisé, est traité par des algorithmes (programmes reproduisant des filtres ou des démodulateurs) faisant appel aux matrices et aux nombres complexes.

• le nombre de bits de codage du signal détermine la dynamique du circuit (en dB, rapport entre le signal le plus puissant avant saturation et le signal le plus faible, 6 dB par bit de codage).

• une fois le traitement numérique effectué, le signal filtré (et démodulé si le signal est prélevé sur la FI) est reconverti en analogique (CNA) puis envoyé à l’étage AF s’il s’agit d’un signal audio BF.

Le récepteur à conversion directe sera étudié en détail lors du prochain cours.

• Il ne peut être classé dans les superhétérodynes même s’il possède un oscillateur local et un mélangeur.

• Ce récepteur simple à mettre en oeuvre nécessite un amplificateur AF à grand gain et ne démodule que des signaux modulés en amplitude (AM, BLU ou CW) sauf s’il y a un traitement numérique du signal après l’étage AF et avant le HP.

• l’étage RF se limite à un simple filtre de bande sans amplification

Un récepteur SDR (Software Defined Radio) combine la conversion directe avec un traitement numérique du signal, au lieu d’utiliser un CAN classique, le récepteur SDR utilise un mélangeur à double sortie (I et Q, phase et quadrature).

• Le traitement numérique est beaucoup plus rapide

• Le montage monte en fréquence beaucoup plus facilement car le nombre d’échantillons requis pour convertir le signal est limité (fréquence d’échantillonnage moindre).

• les réalisations les plus simples utilisent une conversion de fréquence générant un signal en quadrature (I/Q) numérisable par une simple carte son de PC stéréo.
- l'échantillonnage se fait typiquement à 44 kHz, 96 kHz ou 192 kHz, autorisant le traitement numérique par un PC d'un bloc complet de spectre de largeur 44 kHz, 96 kHz ou 192 kHz respectivement.

Fréquence image

On vient de voir que la fréquence intermédiaire (FI) est la résultante du mélange,

• de la fréquence à recevoir (HF)

• et de la fréquence de l'oscillateur local (FO).

La fréquence image (FIm) est la fréquence obtenue par le mélange inverse utilisé pour générer la FI.

• Si l’étage RF est de mauvaise qualité et laisse passer la fréquence image, alors

- les deux signaux (HF et FIm) seront présents à l’entrée de l’étage FI
- et il sera impossible, à ce niveau (et sur les étages suivants), de les séparer
- il faut donc soigner particulièrement le premier étage RF.

Exemple : récepteur pour la bande 14,0 à 14,5 MHz avec FI à 9 MHz.

Le calcul de la Fréquence Image diffère selon le récepteur :

• si le récepteur est supradyne (FI>HF) (dans ce cas, FI = HF + FO) :

Fim = HF + 2.FO

• si le récepteur est infradyne (FI<HF)

- avec FO > FI (dans ce cas, FI = FO – HF) ou FO > HF :
Fim = HF – 2.FI
- avec FO < FI (dans ce cas, FI = HF – FO) ou FO < HF :
Fim = HF – 2.FO (c’est le cas de l’exemple ci-dessus)

Exemple :

a) 1350 kHz - bonne réponse

b) 1,7 MHz

c) 1,65 MHz

d) 350 kHz

Réponse :
- par tâtonnements, avec les valeurs données, la FI peut être 350kHz ou 1650 kHz. Dans ces conditions, la fréquence image peut être 1350kHz (1350 - 1000 = 350, fréquence de la FI).
- La réponse "2,65 MHz" non proposée ici aurait pu convenir (FI + OL = 1650 kHz + 1 MHz= 2,65 MHz).
- Si récepteur supradyne (FI = 1650), Fim = HF + 2 x FO = 2650 (non proposé)
- Si récepteur infradyne (FI = 350) et FO > HF, Fim = HF - 2 x FO = 650 – 2000 = 1350

Pour limiter ce problème, les récepteurs grand public à large couverture sont de type double changement de fréquence avec une première FI élevée (100 MHz et plus, fréquence à définir en fonction de la fréquence maximum à recevoir), rejetant très loin la Fréquence Image (Fim = HF + 2.FO) et facilitant ainsi le filtrage d’entrée:

• La 1ère FI est supradyne (élimination de la fréquence image).

• L’oscillateur local utilisé pour la 2ème FI est fixe.

• sur la 2ème FI (ou sur l’étage AF) se trouvent les étages DSP.

Sensibilité d'un récepteur

La sensibilité d'un récepteur se mesure par son signal d'entrée minimum. La puissance de ce signal minimum se mesure de préférence en dBm (décibels par rapport au mW).

• une liaison radio est jugée bonne si le bruit propre du récepteur est très en dessous du signal à recevoir.

• plus un récepteur est sensible, plus il "sortira" les signaux faibles.

• la puissance du signal reçu se mesure aussi en "points S".

- en dessous de 30 MHz, un signal S9 correspond à une tension de 50 μV à l'entrée du récepteur chargé par une impédance de 50Ω.
- S9 correspond à -73 dBm sur une charge de 50Ω.
- S0 correspond à -127 dBm sur une charge de 50Ω (0,1 μV/50Ω).
- S0 est souvent la sensibilité annoncée des récepteurs modernes (0,1 à 0,2 μV)

• afin d’augmenter la sensibilité d’un récepteur, chacun des étages (oscillateur, amplificateur) devra générer le moins de bruit possible et donc être le plus linéaire possible.

- pour un amplificateur ou un oscillateur, le manque de linéarité revient à générer du bruit.

Émetteur

Le synoptique d’un émetteur se lit du microphone vers l'antenne. Un émetteur :

• peut avoir un ou plusieurs changements de fréquences.

• est équipé d'un filtre anti-harmonique (filtre "en pi" par exemple) pour éviter les "rayonnements non essentiels".

Peut être couplé à un récepteur (formant alors un "transceiver"). Certains étages sont alors en commun :

• l’oscillateur local (ainsi, la fréquence de réception varie avec celle de l’émission),

• la prise antenne qui permettra d’utiliser le même aérien.

• Un système de relais fera la permutation émission/réception.

Compatibilité électromagnétique (CEM)

La Comptabilité ElectroMagnétique est plus souvent un sujet de l’épreuve de réglementation. La CEM est la faculté

• d'un émetteur de ne pas perturber son environnement, en particulier un récepteur (problèmes d’émission),

• d'un récepteur de ne pas être perturbé par un émetteur ou son environnement (problèmes de susceptibilité).

Un matériel (ensemble d’appareils) a un certain niveau d'immunité à son environnement électromagnétique.

• Lorsque les perturbations dépassent ce niveau, son seuil de susceptibilité est alors atteint,

• il faut alors prendre des mesures de durcissement.

Une perturbation (émission ou susceptibilité) est

• conduite lorsqu'elle est véhiculée par des conducteurs

• rayonnée lorsqu'elle se propage dans l'espace environnant par un champ électromagnétique

Intermodulation, transmodulation et bruit

Tout produit d'intermodulation est créé par un mélange de fréquences au niveau d'un étage (ou d'un composant) non linéaire aussi bien à la sortie d'un émetteur que sur l'entrée d'un récepteur.

Le mélange correspond à la somme et la différence des fréquences fondamentales et de leurs harmoniques.

• Soient A et B, deux fréquences présentes sur l’entrée d’un étage défaillant. En sortie de cet étage, on aura :

- A + B et A – B (les "mélanges" classiques, produits du 2ème ordre)
- mais aussi 2A et 2B (les harmoniques)
- et d’autre mélanges comme 2B – A et 2A – B, produits du 3ème ordre, d'autant plus difficile à éliminer que A et B seront des fréquences voisines.

• Le point d'interception du 3ème ordre (IP3) est le croisement de la droite représentant la caractéristique entrée/sortie du récepteur (en bleu) et de la droite des produits d'intermodulation du 3ème ordre (en rouge) qui augmentent beaucoup plus vite que les signaux d'entrée. Ce point théorique, exprimé en dBm, doit avoir le niveau le plus élevé possible.

La transmodulation est un problème de réception : cet effet apparaît lorsqu’un signal de fréquence voisine de F, fréquence du signal désiré, est un signal puissant de forte amplitude,

• celui-ci va provoquer une surcharge de l’étage d’entrée du récepteur qui devient non linéaire,

• ce signal puissant, non désiré, va alors interférer avec le signal désiré et moduler ce dernier.

• En conséquence, on entendra la modulation normale du signal désiré mais également la nouvelle modulation.

• Pour limiter la transmodulation, le premier étage RF ne comportera pas d’amplificateur (filtres passe-bande uniquement), la chaîne d’amplification FI comblera le manque d’amplification du signal par un gain supérieur.

Le bruit provient de la chaleur (agitation des électrons) et arrive par l’antenne ou est créé par des étages non linéaires (oscillateurs ou amplificateurs). La puissance de bruit se mesure en dBm.

Calcul du bruit thermique : P(W) = k . T(°K) . B(Hz)

k = constante de Boltzmann = 1,38.10-23 ;

T = température en °K (soit °C + 273) ; B = bande passante en Hz

Ainsi, la puissance du bruit thermique dans une antenne à la température ambiante de 20°C pour une bande passante de 2500 Hz (téléphonie BLU) est de -140 dBm (soit seulement 13 dB en dessous de S0).

Sur une antenne, à ce bruit thermique, s’ajoutent :

• le bruit généré par l’homme qualifié de pollution radioélectrique,

• le bruit atmosphérique très important sur les bandes basses (4 MHz et en dessous, le bruit est dû au mode de propagation : les ondes de sol se propagent entre la Terre et la couche D)

• le bruit galactique dû essentiellement à l’activité solaire, surtout sensible dans les fréquences élevées (VHF et au-delà)

• les pertes dans la ligne de transmission et les désadaptations (même effet que du bruit)

Si bien que le bruit capté sur l’antenne est souvent supérieur à S0.

• si le signal est faible et noyé dans le bruit, il ne pourra pas être démodulé.

Les étages non linéaires (oscillateurs, amplificateurs) génèrent du bruit qui s’ajoute au bruit présent sur l’entrée du récepteur.

• le bruit généré par chaque étage non linéaire se mesure aussi en dBm.

• le bruit généré par le premier étage doit être le plus faible possible.

• le facteur de bruit total est donné par la relation suivante :

F = F1 + [(F2 – 1) / G1] + [(F3 – 1) / (G1 x G2)]+ …
F = Étage 1 + Étage 2 + Étage 3 + ...

Le facteur de bruit et le gain de chaque étage sont exprimés en rapport (et non pas en dB)
F= facteur de bruit total ;
F1 = facteur de bruit (ou perte) apporté par l’étage 1 ; F2 = bruit de l’étage 2
G1 = gain de l’étage 1 ; G2 = gain de l’étage 2
La formule a autant de termes qu’il y a d’étages dans le récepteur
Les premiers termes (F1 et G1) impactent fortement le résultat de l’ensemble