Séquence PPM:Sommaire
Qu’est ce qu’une radiocommande ?
Schéma fonctionnel
- circuits
Programme d’initialisation de la synthèse de fréquence
- le programme
- modification des paramètres du programme
- plaque d'essais synthèse de fréquence
- calcul des inductances de F. Thobois
- plaque d'essais du circuit d'entrée
- réalisation finale
Le boîtier
Conclusion
Annexes
L'étude partait de deux récepteurs déjà réalisés auparavant:
Sachons tout de même remercier F. Thobois pour sa disponibilité aussi bien sur son adresse email que dans la revue MRA où, durant plus de 10 mois, il nous a fait partager sa connaissance dans le domaine de la radiocommande en développant tous les aspects des chaînes d'émission et de réception adaptées au radio modélisme.
C'est donc avec ces documents que nous avons basé notre étude en reprenant toute la partie hautes fréquences sur le RX21. Puis nous avons adapté une partie microcontrôleur gérant la synthèse d'une fréquence dont la valeur est modifiable par simple programmation.
Notre étude va porter dans une première partie sur la présentation des radiocommandes actuellement utilisées par les modélistes, puis, après avoir décrit brièvement notre calendrier de travail, nous expliquerons toute la partie électronique du récepteur et la programmation de la synthèse de fréquence à l'aide du microcontrôleur. Nous terminerons sur les réalisations pratiques, les tests que nous avons effectués et quelques caractéristiques techniques sur la technologie CMS.
Qu'est ce qu'une radiocommande de modèle réduit ?
Une radiocommande est une chaîne de transmission entre un utilisateur et les équipements de son modèle réduit.
La chaîne de radiocommande
Les informations sont transmises par ondes électromagnétiques sur des bandes de fréquences déterminées:
26.815 à 26.905 MHz : pour tous types de modèles réduits
41.000 à 41.100 MHz : réservée à l'aéromodélisme
41.100 à 41.200 MHz : pour tous types de modèles réduits
72.000 à 72.500 MHz : pour tous types de modèles réduits
chaque canal a une taille de 10KHz
les équipements:
Le nombre et la nature des équipements d'un modèle réduit imposent le type de radiocommande à utiliser.
Prenons le cas d'un modèle le plus simple possible (voiture qui n'aurait pas de direction): le modèle n'a besoin que d'une seule information à recevoir pour pouvoir se déplacer. Cette information peut être transmise sous forme binaire. Une émission Hautes Fréquences indique que la voiture doit avancer, pas d'émission la voiture ne bouge pas.
Ce cas est bien sûr fort improbable car un modèle à besoin d'au minimum deux informations, voir une dizaine et plus pour les modèles construits par les radiomodélistes les plus passionnés qui transforment leur modèle en véritable petit robot. Chacune des informations peut ainsi commander un moteur, un servomécanisme, une signalisation lumineuse ou sonore, ou tout autre équipement.
Il a donc fallu trouver un moyen de transmettre autant d'informations que d'équipements.
Le problème du nombre d'informations (voies) n'est pas le seul. En effet, un moteur peut être commandé de deux façons différentes:
Soit on donne au moteur une impulsion, il tourne, soit il n'en reçoit pas et il reste statique ou bien tourne avec son inertie. Mais il n'est pas facile de faire déplacer un modèle avec ce type de commande.
La deuxième solution est de faire tourner le moteur en réglant la vitesse et le sens de rotation (voie proportionnelle).
Il en est de même pour un servomécanisme, auquel on veut donner une position précise.
Le seul moyen de transmettre plusieurs voies associées à des voies proportionnelles était de créer un système de codage et de multiplexage universel. C'est ce qui a été fait vers les années 1960 avec le codage PPM.
Le codage PPM:
Il s'agit d'un système d'impulsions codées en position (Pulse Position Modulation).
Séquence PPM:
Chaque séquence est constituée par :
On pourrait croire que le nombre de voies peut s'étendre à l'infini, mais en fait il est limité par le temps d'une séquence. En effet, l'information ne parvient à l'équipement qu'une fois toutes les 20 ms environ. Si ce temps s'allongeait, les équipements ne seraient plus commandés, et pourraient prendre n'importe quel parasite pour une information. Les récepteurs actuels sont prévus pour 8/9 voies maximum.
Le système de modulation:
De nos jours, bien que la modulation d'amplitude soit encore utilisée par certains radio modélistes, la plupart des émetteurs sont à modulation de fréquence. On parle ensuite de radiocommande FM 41MHz ou 72MHz suivant la bande de fréquences utilisée. Cette fréquence est donnée et modifiable par une paire de quartz insérés dans l'émetteur et son récepteur.
Evolution des radiocommandes:
Les radiocommandes actuellement sur le marché, possèdent en plus de la transmission des voies, des commandes évoluées telles que le mixage des voies pour pouvoir manipuler par exemple un gouvernail et le moteur d'étrave qui lui est associé. Toutes ces options sont inclues dans des modules électroniques dont nous ne feront pas l'étude.
D'autres radiocommandes acceptent aussi bien les modulations PPM que PCM beaucoup plus complexe, mais sécurisées.
Voici enfin, un
exemple de récepteur auquel notre projet devrait nous amener à
aboutir:
Projet récepteur 41MHz sur 1 an
Septembre – Novembre : étude bibliographique du projet
Il nous fallait réunir un certain nombre d'éléments pour pouvoir débuter le projet, en particulier sur les techniques employées dans les récepteurs, l'étude d'une synthèse de fréquences, les récepteurs superhétérodynes et les techniques de codage employées dans le domaine de la radiocommande de modèle réduit. Durant ces 3 mois, nous avons étudié tous ces aspects, ainsi que les composants principaux du montage que nous voulions réaliser.
Décembre - Janvier : plaque d'essais HF
Nous avons décidé de réaliser pour commencer une première plaque d'essais en boîtiers DIL, qui regroupait uniquement la partie HF du montage en partant de l'antenne, jusqu'au signal démodulé. Cette plaque avait pour but de nous donner une première approche du projet, en particulier sur la partie analogique qui regroupe sans doute la majorité des difficultés.
Pour la réalisation de cette plaque, nous sommes partis du schéma de P. Techer, dont les inductances, à la différence du schéma de F. Thobois, nous étaient données. Celles-ci, basées sur la série TOKO (2K509 et 4102), se sont avérées inutilisables, en particulier pour la réalisation d'un oscillateur à plus de 30MHz.
Février - avril :Programme PIC, réalisation d'une plaque CMS
Le composant utilisé pour la synthèse de fréquences imposait la conception d'un programme d'initialisation des valeurs. Ce programme stocké, et fourni par le biais d'un microcontrôleur PIC, devait être réalisé sans aucune base puisqu'aucun des auteurs de récepteurs ne nous en avait donné.
En parallèle à ce programme, nous avons tenté de réaliser un PCB version CMS de notre projet, en nous attardant sur le fait qu'il devait, bien entendu, rester le plus petit possible pour respecter la miniaturisation des éléments d'un modèle réduit.
Mai – Juin
Durant les derniers mois nous nous sommes attardés sur le regroupement des informations collectées tout au long de l'année pour pouvoir constituer un dossier aussi bien sur la partie théorique que sur notre réalisation.
C'est aussi durant ces mois que nous avons réalisé nos tests pratiques et essayé de mette en œuvre notre projet.
Conception d’un module de réception type radiocommande de modèles réduits avec les particularités suivantes :
Création du récepteur à partir des informations fournies par P. Techer (RC-FM Receiver 41 MHz synthesised frequency), et de l’article du mensuel Modèle Réduit d’Avion n°705 de septembre 1998, étudié par F. Thobois (RX 21).
Technologie CMS pour la majorité des composants utilisés, pour respecter la légèreté et la compacité du système embarqué sur le modèle réduit.
Récepteur 8 voies
Réception 41MHz, modulation de fréquence, codage PPM
Double changement de fréquence (FI1=10.7 MHz, FI2= 455KHz)
Synthèse de fréquence gérée par microcontrôleur
Changement de la fréquence reçue par programmation
Contrôle Automatique du Gain de l’amplification du signal reçu
Alimentation stabilisée 100mA
Un récepteur, pour être efficace, doit capter le signal d’émission (bande de fréquences ou fréquence fixe), sélectionner la fréquence sollicitée s’il s’agit d’une bande de fréquences, démoduler le signal pour en extraire l’information, et décoder et traiter cette information.
Pour cela un récepteur comprend :
1 amplificateur qui reçoit le signal de l’antenne "pré-filtré" sur la fréquence choisie.
1 ou plusieurs mélangeurs de réception pour abaisser la fréquence jusqu'à une fréquence intermédiaire, suivi(s) d'un(de) filtre(s) passe-bande. Chaque mélangeur est associé à un oscillateur local à fréquence stable.
1 système de démodulation.
Peuvent ensuite se rajouter des éléments tels que la synthèse de fréquence d'un oscillateur local, le contrôle automatique de gain de l'amplificateur, qui viendront augmenter les qualités du récepteur.
La sensibilité, qui est l'aptitude à permettre l'écoute de signaux de faible amplitude. La valeur de la sensibilité est donnée par la plus petite valeur du signal qu'il faut en entrée pour obtenir un rapport S/B donné. Elle s'exprime en mV.
La sélectivité, qui définit l'écart minimum entre 2 stations permettant au récepteur une écoute sans brouillage. Elle résume l'aptitude du récepteur à rejeter les signaux se trouvant en dehors de sa bande passante. Elle s'exprime en Hertz.
La linéarité, qui est la capacité d'un récepteur à recevoir un signal faible en présence de signaux brouilleurs de forte amplitude.
La fidélité, qui définit le pourcentage de signaux parasites en sortie du récepteur par rapport au signal utile. Il s'agit en fait de la capacité du récepteur à restituer le signal modulant sans déformation.
La stabilité, qui donne l'aptitude du récepteur à rester calé sur la fréquence sélectionnée dans le temps ou lorsque les conditions extérieures varient. Elle est donnée en Hertz ou fraction de la fréquence d'accord du récepteur.
Ces qualités ont chacune leur importance mais notre étude se fera uniquement en tenant compte de la sélectivité, de la sensibilité et de la stabilité, qui sont des paramètres facilement réglables et accessibles, et dont découlent tous les autres.
L'ensemble 'hautes fréquences' : le rôle de ce premier ensemble est de traiter le signal issu de l'antenne. Après avoir capté les signaux, même les plus faibles, cette partie doit les rendre utilisables. Elle est donc chargée de les amplifier après en avoir fait une sélection 'grossière'.
L'ensemble 'fréquence intermédiaire' : la deuxième partie est chargée de sélectionner la fréquence qui nous intéresse. Pour cela, et à l'aide de plusieurs circuits, la fréquence de réception va être changée sans en altérer son information. On obtient ainsi une fréquence intermédiaire (F.I.).
L'ensemble 'démodulation' : une fois l'information sélectionnée et rendue plus accessible par le changement de fréquence, cet étage traite le signal pour en extraire l'information (ou modulation).
L'ensemble 'traitement de l'information' : cet étage final est la partie qui rend le signal exploitable. Il s'agit dans la plupart des cas d'un décodage d'informations.
L'ensemble 'circuits annexes' : le récepteur est composé ensuite de différents éléments qui s'ajoutent aux parties principales pour en améliorer la qualité (contrôle automatique de gain, stabilisation en fréquence, …)
L'ensemble 'alimentation' : Il constitue la source de courant de l'ensemble. Sa stabilité est loin d'être une donnée négligeable.
Après avoir présenté les quelques éléments qui composent un récepteur, nous allons nous efforcer de faire correspondre cette structure à celle de notre récepteur.
L’antenne : une antenne de réception traduit un rayonnement électromagnétique en un courant induit. Ce courant, de très faible valeur, dépend essentiellement de la puissance de l’émetteur, de la distance qui sépare l’antenne de cet émetteur, mais aussi et surtout de la façon dont l’antenne est accordée à la fréquence que l’on veut recevoir.
En ce qui concerne la puissance, elle répond à l’équation :
Precep = k . Pémett / d² (d : distance en kilomètres)
et on peut espérer quelques nanowatts, voir microwatt à la réception.
L'accord d'antenne se fait par la longueur qu'on lui donne, et cette longueur dépend de la longueur d'onde (l ) du signal donnée par l'équation :
l (m) = c(m/s) / f (Hz)
c: célérité ou vitesse de propagation de l’onde électromagnétique dans le vide
c = 3.108 (m/s)
pour la fréquence qui nous concerne (41MHz), on obtient l = 7.32 m.
Il est bien sûr inconcevable de mettre une antenne de plus de 7m sur un modèle réduit, et pour résoudre ce genre de problème, on a recours à certaines techniques:
En radiomodélisme, et dans la plupart des récepteurs, on utilise une antenne dite quart d’onde (ou antenne fouet).
En fait, il s’agit d’une antenne demi-onde, sur laquelle le quart d’onde manquant est remplacé par un plan de masse (masse du circuit, boîtier métallique, terre, ou sol). Pour notre montage, le plan de masse utilisé est celui du circuit imprimé. Néanmoins, une antenne quart d’onde calée sur 41MHz a toujours une longueur de
7.32 (m) / 4 = 1.83 (m)
L’antenne, encore trop longue, sera enfin allongée électriquement par une bobine à la base de l’antenne. Cette bobine est prise en compte dans la valeur de l’inductance du filtre d’entrée.
Sans entrer dans les formules de calcul de cette nouvelle inductance, on sait qu'en moyenne si on réduit l'antenne de moitié (90cm) la self d'entrée, additionnée à celle du filtre, devra être d'environ 1.6µH, et de 2.8µH pour une antenne réduite au tiers (60cm). Il est tout de même bon de remarquer qu'une antenne réduite de moitié (du tiers), réduit sa portée de moitié (respectivement du tiers).
Gérard Magret a décrit plus longuement ces informations lors de son cours sur les antennes (référence en bibliographie).
Filtres d'entrée
Schéma
n°1
Sur une antenne de réception, toutes les émissions radioélectriques sont reçues, et seule celle qui nous intéresse doit être sélectionnée.
Les filtres d'entrée de notre récepteur ne vont pas sélectionner précisément la fréquence qui nous intéresse, mais plutôt une bande de fréquences d'environ 1MHz, de laquelle nous allons pouvoir tirer une information.
Pour cela on utilise le principe de la résonance d’un circuit LC parallèle dont la fréquence de résonance répond à l’équation:
Fres = 1 / (2 p Ö LC)
suivant le schéma de notre récepteur et pour obtenir une fréquence de résonance de 41MHz, L correspond à L1 et C à C1. Par le calcul, on obtient L1 = 837nH, avec c défini et fixe pour simplifier le circuit.
La résonance correspond au moment où l’impédance équivalente du circuit LC est maximale. La réponse du circuit donne alors l'allure d'un filtre passe bande.
Le diagramme de bode d’un simple circuit LC parallèle dont les composants sont calculés pour une fréquence de résonance de 41 MHz, correspond au graph suivant :
On constate que la bande passante d'un tel filtre est très large (environ 200MHz dans notre cas) et donc qu'un circuit LC parallèle ne constitue pas un filtre sélectif.
On rappelle que les canaux de la bande de radiocommande réservée au radiomodélisme ont une largeur de 10KHz, et donc que toutes les fréquences dépassantes ne sont que des parasites et des interférences.
La méthode utilisée par F.Thobois pour sélectionner de manière plus efficace est de faire arriver la base de l'antenne sur une inductance à point milieu (cf schéma de la page précédente). Celle-ci se comporte alors comme un transformateur ce qui modifie ainsi l'impédance de l'antenne, jusque là de 36W , et fait varier le facteur de qualité du circuit résonant.
Rappel:
La fonction de transfert d'un circuit RLC est donnée par l'équation:
1
-----------------------------------
1/R [1 + Qp (w /w 0-w 0/w )]
avec Qp coefficient de qualité du circuit : Qp = R Ö C / Ö L
remarque : plus le coefficient de qualité est grand, et plus le filtre est sélectif.
Le diagramme de
bode d'un tel circuit donne alors l'allure d'un filtre nettement
plus sélectif (bande passante d'environ 40 MHz) :
Pour réaliser ce filtre, il nous a donc fallu 2 composants:
Deux possibilités s’offraient alors à nous, pour réaliser cette inductance: soit l’utilisation de bobine à mandrin dont la valeur de l’inductance est variable, soit l’utilisation de bobine fabriquée à la main.
F. Thobois, le concepteur du RX21, se proposait de nous fournir pour une modique somme la série des 4 bobines utiles à la réalisation du récepteur, et réglées à sa façon.
Lors des premiers essais sur une plaque HF de test, nous avions l'intention de réaliser notre récepteur sans l'aide de F. Thobois mais nous avons remarqué que la bobine TOKO 2K509 proposée par Techer ne correspondait pas à la fréquence utilisée (cf chapitre 1er oscillateur local). C'est pourquoi, nous avons choisi la solution la plus sûre et avons décidé de commander les bobines chez F. Thobois pour être certains d'avoir des inductances parfaitement calculées pour le montage (cf . § mesure des valeurs de bobines).
Cependant, la sélectivité du filtre d'entrée n'est pas encore parfaite, c'est pourquoi un deuxième circuit résonant est placé à la suite de l'amplificateur à FET. Son principe est une nouvelle fois celui d'un circuit LC parallèle (cf schéma n°1 :L2 // C3).
La sélectivité est remarquée sur le diagramme de Bode du circuit (signal VDB (OUT2)):
La bande passante n'est plus que de 30 MHz.
Remarque : tous ces calculs de bande passante ne sont que purement théoriques, et à l'entrée du MC3362 la bande passante du signal est sans doute très supérieure. Néanmoins, ils présentent très clairement l'utilité d'un tel système et son efficacité.
Adaptation d'impédance:
Nous avons décrit la fonction de L3 comme étant l'inductance du dernier filtre passe bande du circuit d'entrée, mais cette utilité n'est pas la seule. En effet, l'entrée du circuit MC3362 nécessite une adaptation d'impédance et celle-ci a été réalisée dans notre circuit par un transformateur.
L'impédance série équivalente du circuit est de (450-350j) W , il faut donc d'après cette impédance essayer de transmettre le maximum de puissance sur l'entrée.
Considérons un transformateur parfait de rapport de transformation m, et X l'impédance équivalente de l'entrée du circuit (X = 450-350j).
Nous pouvons écrire Us =X Is = m Ue et Ie = -mIs
(Is courant de sortie, Ie courant d'entrée)
Ue/Ie = -Us/m * 1/ -mIs = Us/Is * 1/m² = X / m²
Donc Ue/Ie = X/m² = (450-350j)/m²
Avec Ue/Ie =Xe
(impédance de l'ensemble transformateur-charge).
On obtient le schéma équivalent suivant:
D'après la théorie de l'adaptation d'impédance, il faut donc que l'impédance du circuit amont Xa réponde à l'équation:
Xa = Xe*
Donc Xa = 450/m² + 350j/m²
Dans notre cas un circuit inductif correspondra puisque X était de type capacitif.
Remarque: Une nouvelle fois la théorie nous permet une approche de la réaction du circuit. Nous savons maintenant qu'un transformateur permettra dans ce cas de transmettre un maximum de puissance indépendamment de la fréquence, mais seule la pratique sur le circuit nous donnera une adaptation correcte.
Remarque: la documentation constructeur MOTOROLA du MC3362, conseille un transformateur de rapport 2/6 pour un circuit d'entrée de 50 W .
Amplificateur à FET
Le montage de
l'amplificateur inclus dans notre projet est un montage à grille
commune et peut être représenté par le schéma suivant avec Ve
symbolisant le signal issu du filtre d'antenne et Zs la charge de
l'amplificateur:
Le schéma équivalent petits signaux donne :
On peut grâce à ce dernier schéma comprendre le principe de l'amplification en tension et du principe du contrôle automatique de gain.
Avec 1 / Y22 = r
Résistance d'entrée Re:
Re = R1 // r " R1 =1000 W
Résistance de sortie Rs:
Rs = r + R1 " r = 50 E+06 W
Amplification en tension GV :
GV = Vs /Ve = Vs / -VGS = -Zs SVGS / -VGS
GV = Zs S
Avec S représentant la transconductance du transistor FET. S " 2.5 E-03
L'entrée de l'amplificateur à faible impédance (Re = 1000W ) permet de faire circuler le courant faible provenant de la base de l'antenne. Ce courant fait varier la tension VGS ainsi que le courant de sortie proportionnel à cette tension VGS. Il en résulte des variations de tension sur la sortie Vs.
Nous venons de montrer l'efficacité d'un tel circuit à convertir un courant de faible amplitude en une tension exploitable. Mais les caractéristiques de cet amplificateur sont aussi marquées par sa sélectivité.
En effet, dans le paragraphe précédent nous avons vu que la tension de sortie dépendait de Zs, impédance du circuit de charge. Pour obtenir un circuit sélectif il faut placer une charge dont l'impédance n'est élevée que dans une bande de fréquence étroite. L'impédance peut donc être un circuit L//C qui possède la caractéristique de présenter cette impédance importante uniquement autour de la fréquence de résonance.
De ce fait, l'amplificateur à grille commune fait partie intégrante du système de filtrage de l'entrée du récepteur. Un diagramme de Bode simulé, avec comme circuit de charge un L//C, donne ce genre de graph. très sélectif sur la fréquence d'accord:
Cette sélectivité a son importance dans ce montage car, comme tous les circuits actifs, l'amplificateur délivre des harmoniques pouvant perturber le système. Ces harmoniques sont filtrées dès la sortie.
Etude de la partie Fréquences Intermédiaires
Tout comme dans un émetteur, il est quasiment impossible d'émettre une basse fréquence dans un récepteur il est inconcevable de travailler sur des hautes fréquences et de les démoduler. On est obligé d'utiliser un système de rabaissement de la fréquence sans altération du signal.
Ce principe est obtenu à l'aide d'un mélangeur qui va convoluer, dans le domaine fréquentiel, le signal arrivant de l'antenne (signal à composante HF) avec un signal issu d'un oscillateur que l'on appelle oscillateur local (OL).
Fe = Ae cos (w e t)
Fol = A ol cos (w ol t)
Prenons le cas où Fe > Fol :
D'après le théorème de la convolution on obtient un signal de sortie Fs en fonction des fréquences (Fe+Fol), (Fe-Fol) et de leur image respective dans les fréquences négatives.
Si Fe < Fol :
D'après le théorème de la convolution on obtient un signal de sortie Fs en fonction des fréquences (Fe+Fol) (Fol-Fe) et de leur image respective dans les fréquences négatives.
Ce que l'on veut obtenir dans notre cas, c'est une fréquence plus faible que celle d'entrée. Ceci est possible avec la composante (Fe-fol) ou bien (Fol-Fe) suivant la position de la fréquence de l'oscillateur local par rapport à la fréquence d'entrée.
Définition:
Un oscillateur local fonctionnant à une fréquence supérieure(inférieure) à celle de la fréquence d'entrée donne un récepteur superhétérodyne fonctionnant en supradyne (respectivement infradyne).
Quel que soit le type de récepteur, on adapte dans tous les cas la fréquence de l'oscillateur local à celle de l'émetteur désiré. Une fréquence intermédiaire (FI) est la fréquence obtenue à la sortie du mélangeur. Cette fréquence reste toujours la même.
Avantage du changement de fréquence:
Le changement de fréquence permet de disposer en sortie du mélangeur d'une fréquence FI fixe. En effet, la fréquence d'entrée peut avoir tendance à glisser en fréquence, dans ce cas il suffit de faire suivre la fréquence de l'oscillateur local et les étages suivants restent les mêmes. En conséquence, l'amplification de ce signal est simplifiée puisque la bande passante de l'amplificateur est calculée autour de cette fréquence FI. De même il est plus simple de travailler sur un signal basses fréquences qu'à des fréquences hautes.
Inconvénients du changement de fréquence:
Il faut prendre en compte la stabilité de l'oscillateur local qui doit être parfaite. De plus, le signal Fol ne fait qu'ajouter une composante HF dans un système déjà très perturbé. En effet, le signal FOL n'est pas pur et une série d'harmoniques viennent s'ajouter au signal FI.
Enfin, un récepteur de type superhétérodyne est basé sur un fonctionnement soit en infradyne soit en supradyne. Un tel fonctionnement reste néanmoins quelque peu formel car il et toujours possible d'obtenir un fonctionnement dans un mode pour la fréquence à recevoir et un signal en mode inverse pour un signal situé sur une autre fréquence. Cette fréquence est appelée fréquence image (Fim).
Essayons de voir maintenant si les problèmes cités ci dessus en sont réellement et voyons à quel point ils affectent notre système.
Soit un fonctionnement en supradyne :
Fi = Fol - Fe donc Fi = Fim – Fol
Ce qui donne Fim =2Fi+Fe
Dans le cas de notre récepteur, la fréquence Fe = 41MHz ,et la 1ère FI =10.7MHz.
Fim = 2*10.7 MHz + 41MHz = 62.4 MHz
Soit un fonctionnement en infradyne :
Fi = Fe - Fol donc Fi = Fol - Fim
Ce qui donne Fim = Fe –2Fi
Dans le cas de notre récepteur, la fréquence Fe = 41MHz ,et la 1ère FI =10.7MHz.
Fim = 41 MHz – 2*10.7MHz = 19.6 MHz
Problèmes dus aux harmoniques de Fol:
Une harmonique peut avoir un niveau suffisant pour pouvoir perturber le signal FI. En effet, tout comme il existe des fréquences images à la fréquence de réception, une fréquence de brouillage (Fb) serait une fréquence avec laquelle on obtiendrait une FI grâce à l'harmonique 2 de l'oscillateur local. On effectue ce calcul uniquement sur l'harmonique 2, en supposant que les autres sont trop faibles pour avoir une quelconque influence sur FI.
Prenons le cas d'un émetteur assez puissant se trouvant sur cette fréquence Fb, et :
Un récepteur en infradyne :
Fi = Fe – Fol donc Fol = Fe – Fi
L'harmonique 2 de Fol donne :
Fi = Fb –2Fol = Fb – 2 (Fe-Fi)
Fb = 2Fe - Fi
Dans notre cas : Fb = 2*41MHz –10.7MHz =71.3MHz
De même ce récepteur peut créer une FI d'après :
Fi = 2Fol - Fb'
Fb' = 2 Fe-3Fi
Dans notre cas Fb' = 2*41MHz –3*10.7MHz = 49.9MHz
Un récepteur en supradyne :
De la même façon on obtient
Fb = 2Fe+Fi
Et Fb'=2Fe+3Fi
Soit Fb = 92.7MHz et Fb'= 114.1MHz
Conclusion sur le danger des fréquences images et de brouillage:
Notre récepteur, comme la plupart des récepteurs superhétérodynes, possède un 1ère fréquence intermédiaire à 10.7MHz. Nous avons remarqué, par les calculs précédents, que certaines fréquences pouvaient être reçues par le récepteur et traitées comme le 41MHz que l'on attend. Pour résumer toutes ces fréquences :
Fb = 92.7MHz
Fb' = 114.1MHz
Fb = 71.3MHz
Fb'= 49.9MHz
Toutes ces fréquences deviennent un danger potentiel pour le récepteur, et en particulier celle de 92.7MHz qui se trouve au milieu de la bande radios FM dans le cas d'une utilisation en supradyne, et l'on voit ici l'importance de la sélection des filtres d'entrée développée dans le chapitre précédent.
Cette étude des fréquences 'gênantes' permet le choix du fonctionnement du récepteur. Dans notre cas, l'utilisation en infradyne paraît plus judicieuse (Fol = 30.3MHz), mais ce choix s'est fait essentiellement parce qu'il est toujours plus facile de réaliser un oscillateur à 30.3MHz qu'à 51.7MHz.
Récepteur à double changement de fréquence :
Le double changement de fréquence voit son utilité pour résoudre différents problèmes de la réception hautes fréquences.
Le premier est de travailler à des fréquences de quelques dizaines de Mégahertz alors qu'il est simple d'obtenir un filtre dont la bande passante est de 9KHz à –40dB (cf documentation constructeur filtre CFWS455G MURATA). Le deuxième est la suppression de la fréquence image.
En effet, dans notre cas on souhaite sélectionner un signal de 10KHz de bande passante (Bw). Le coefficient de surtension Q du filtre passe bande qui devra réaliser cette sélection à la fréquence intermédiaire 1 vaut FI1/Bw. Grâce au double changement de fréquence et à la fréquence intermédiaire 2 faible, le coefficient FI2/Bw n'a plus besoin d'être aussi élevé.
Avec une FI2 de 455KHz, une bande passante Bw de 10KHz peut être ainsi obtenue avec un filtre dont le coefficient de surtension est de 45.
Nous avons remarqué, dans les paragraphes précédents, que le problème de la fréquence image peut être éliminé uniquement par le filtre d'entrée.
Le fait d'utiliser un double changement de fréquence permet d'avoir une fréquence image assez haute en fréquence.
Rappel: en infradyne Fim = Fe – 2Fi.
On remarque alors que plus la fréquence intermédiaire est élevée, et plus la fréquence image s'éloigne de la fréquence de réception. Ainsi, grâce à l'utilisation d'un double changement de fréquence, il est plus simple de filtrer la fréquence image.
Dans un récepteur à double changement de fréquence, le premier changement permet une réjection de la fréquence image, et le deuxième permet d'obtenir un filtre sélectif.
Filtrage du signal au niveau des Fréquences intermédiaires:
Le choix des fréquences intermédiaires est limité par les filtres dont la fréquence est fixe. Les fréquences standards sont pour la plupart : 455KHZ, 10.7MHz, 21.4MHz, 70MHz, 130MHz, 140MHz, 480MHz.
La technologie de fabrication des filtres dépend ensuite de la fréquence. Pour des fréquences jusqu'à 10MHz, il s'agit de filtres céramiques. Jusqu'à quelques dizaines de Mhz les filtres sont à quartz, puis à ondes de surface pour des fréquences supérieures.
Le choix de la technologie est ensuite limité par la largeur de filtre que l'on veut obtenir.
Etude de la partie fréquence intermédiaire dans notre récepteur
Nous avons choisi comme fréquences intermédiaires 10.7MHz et 455KHz. Ces fréquences sont les plus généralement utilisées dans les récepteurs et les filtres de bande sont ainsi faciles à trouver.
Les fonctions
de changement de fréquence sont réalisées grâce au circuit MC
3362 (MOTOROLA) spécialement conçu à cet effet.
En plus du changement de fréquence, le circuit réalise une amplification du signal dont la valeur est donnée par le schéma 6 de la documentation constructeur.
Exemple: un signal entrant avec une valeur d'environ 1mV, sort du 1er changement de fréquence à environ 19mV, et 130mV du 2ème oscillateur.
Cette amplification est non négligeable pour l'efficacité de la démodulation.
L'oscillateur local 1 (FI =10.7MHz):
Afin de pouvoir accéder à toute la bande de fréquences de radiomodélisme, nous devions créer un oscillateur local à fréquence variable permettant une réception entre 41 et 41.2MHz. Ceci n'était possible que par un circuit oscillant L//C dont la capacité était mise en parallèle avec une varicap dont la valeur varie grâce à une tension apportée à ses bornes (cf. synthèse de fréquence). Ainsi la fréquence de résonance fr est variable et l'oscillateur obtenu est appelé VCO (Voltage controlled oscillator).
D'après l'étude faite au début de ce chapitre pour un récepteur fonctionnant en infradyne, il faut :
Fol = Fe – Fi
Soit Fol max = 41.2 MHz – 10.7MHz et Fol min = 41MHz – 10.7MHz
Fol max = 30.5MHz et Fol min = 30.3MHz
Pour obtenir une telle fréquence de résonance, prenons une capacité parallèle (C14) de 47pF associée à la capacité parallèle du MC3362 d'un valeur de 7.2pF.
La valeur de l'inductance (L3) parallèle se calcule par l'équation:
Rappel: Fr = 1/(2p Ö LC)
L3 = 1/ (2p frÖ C)² soit L3 = 1/[2p *30.4MHzÖ (47p+7.2p)]²
Lors des premiers tests de notre réalisation, nous pensions suivre le montage de Techer et placer une bobine TOKO 2K509 à la place de L3. il s'est avéré impossible de caler cet oscillateur à une fréquence supérieure à 27MHz. Nous en avons conclu que cette bobine ne semblait pas adaptée à une fréquence de 30MHz, et avons préféré choisir le lot de bobines fabriquées main par F. Thobois.
Filtre du 1er oscillateur local (10.7MHz):
Les courbes de
réponse des filtres à quartz correspondent d'une manière générale
à la courbe suivante:
L'efficacité du filtre se fait autour de la fréquence centrale, mais le filtre possède une bande passante dont la raideur des pentes est donnée par le facteur de forme du filtre. Ce facteur de forme est le rapport entre la bande passante à –60dB et celle à –6dB.
Ce que nous cherchons à faire avec ce filtre n'est pas une sélection parfaite du signal mais plutôt un abaissement du phénomène d'intermodulation.
L'intermodulation est due à la non linéarité de l'amplificateur d'entrée. En effet, la sortie de cet amplificateur donne une addition de tous les signaux proches de la fréquence de réception, ce qui peut créer de multiples fréquences appelées produits d'intermodulation.
Pour simplifier:
Prenons le cas d'un récepteur à 41 et un deuxième à 41.1MHz:
f1 = 41
f2 = 41.1
les produits d'intermodulation du 2° ordre donneront:
2f1 = 82
2f2 = 82.2
f1+f2 = 82.1
f2-f1 = 0.1
les produits d'intermodulation du 3° ordre donneront:
3f1 = 123
3f2 = 123.3
2f2-f1 = 41.2
2f1-f2 = 40.9
2f2+f1 = 123.2
2f1+f2 = 123.1
on constate que certaines fréquences sont proches de la fréquence utile et donc gênantes.
Mais un filtre d'environ 300KHz de bande passante suffit à réduire les produits d'intermodulation d'ordre supérieur ou égal à 3.
L'oscillateur local 2 (FI =455 KHz):
Celui-ci ne doit pas varier en fréquence. Il est calculé pour fonctionner en infradyne, c'est-à-dire :
Fol = Fi1-Fi 2 Fol = 10.7MHz – 455KHz = 10.245MHz
Cette fréquence est standard et les quartz taillés pour cette fréquence se trouvent facilement.
La mise en place et en fonctionnement d'un tel oscillateur est ensuite très simple puisqu'elle est décrite dans la documentation constructeur du MC3362. Nous avons seulement abaissé la 1ère capacité parallèle, et en avons ajouté une deuxième variable pour assurer le réglage de l'oscillation.
Filtre du 2ème oscillateur local (455KHz):
Ce deuxième filtre donne la sélectivité du récepteur. En effet, c'est celui dont la bande passante est la plus sélective. Pour réaliser ce filtre nous avons choisi le CFW455G du constructeur MURATA.
Sur cette série la bande passante est donnée par la dernière lettre du numéro constructeur. Dans notre cas un G a une bande passante de ± 4.5KHz à –6dB(cf. documentation technique MURATA).
Remarque : d'autres concepteurs de récepteur modèle réduit (F .Montaudon ) conseillent des filtres de série IT, soit une bande passante de ± 2KHz à –6dB, et justifie ce choix par une meilleure portée. Nous avons gardé le choix de F. Thobois qui, lui, ne voit pas l'utilité d'une telle sélection du fait du double changement de fréquence.
Conclusions sur le changement de fréquence :
Nous avons vu durant ces quelques paragraphes l'utilité d'un changement de fréquence, en particulier la sélection que ce dispositif permet d'effectuer sur le signal reçu.
A la sortie de l'ensemble fréquence intermédiaire, nous avons donc un signal proportionnel au signal d'entrée, amplifié, et transposé autour d'une fréquence de 455KHz.
Etude de la partie démodulation
La démodulation a pour but de sortir l'information d'un signal modulé. Nous avons vu, dans le chapitre précédent, que le signal obtenu en sortie du deuxième changement de fréquence était un signal à 455KHz modulé par un signal basse fréquence. C'est ce signal basse fréquence que nous souhaitons récupérer.
La modulation appliquée à notre signal est de la modulation de fréquence.
Pour obtenir une tension de sortie, dont la valeur instantanée est proportionnelle à la différence entre la fréquence instantanée du signal reçu et la fréquence moyenne, nous faisons appel à un circuit démodulateur en quadrature inclus dans le MC3362. Celui-ci transforme, grâce à quelques composants, la modulation de fréquence en une variation d'amplitude.
Le démodulateur en quadrature:
Le signal modulé en FM (V1), est inséré dans un circuit qui se charge d'effectuer la multiplication de ce signal avec le même signal déphasé de 90° (V2). Le signal modulé en FM est supposé écrêté par un amplificateur saturé.
Le circuit déphaseur est constitué d'un LC en parallèle dont la caractéristique est d'effectuer un déphasage de 90° si le signal d'entrée correspond à sa fréquence de résonance. En cas de variation de la fréquence du signal d'entrée, la phase de V2 varie autour de 90°.
On obtient une
tension moyenne à la sortie du multiplieur (V), dont la
variation est fonction de la variation de phase de V1.
Cas d'un déphasage de 90°
La valeur moyenne de V = Vcc/2
Cas fréquence V1 < Fo
Si la fréquence du signal est inférieure à la fréquence centrale du circuit résonant, le déphasage de V2 augmente. La valeur moyenne de V augmente proportionnellement au déphasage.
De même dans le cas d'un fréquence supérieure, la valeur moyenne diminue.
Le filtre ajouté en sortie du circuit multiplieur permet de retirer la composante HF du signal.
Dans notre récepteur, le circuit LC parallèle doit être calé sur 455KHz. Pour cela nous utilisons :
Une bobine fabriquée par F. Thobois d'une valeur d'environ 500µH avec en parallèle une capacité de 220pF.
Remarque: dans le commerce, la TOKO 4102, une bobine fabriquée à cet effet, remplacerait sans doute celle de F. Thobois. C'est aussi celle que nous voulions utiliser pour la plaque d'essais HF, mais nous n'avons pas eu l'occasion de la tester à cause des problèmes du 1er oscillateur local.
F0 = 455KHz
Le filtre est ensuite calculé pour avoir une fréquence de coupure d'une centaine de hertz soit :
F0 = 1 / R C
R = 150 KW
C = 68 nF
L'avantage de la démodulation FM est son indépendance avec l'amplitude. Tout parasite se plaçant sur l'amplitude du signal n'affecte pas celui-ci, grâce à l'écrêtage post démodulation.