L'EMISSION HF ( 2 )

L'article du mois précédent nous a expliqué comment s'établissait le "lien HF" au moyen du rayonnement hertzien. Nous avons proposé une théorie simplifiée de l'antenne puis analysé les quelques manières de créer le signal HF à l'aide de divers types d'oscillateurs.

STRUCTURE d'un EMETTEUR HF.

La Figure 1 nous montre comment est organisé un émetteur complet. Le 1er étage est l'oscillateur ( le pilote ) présenté dans l'article précédent. La puissance qu'il délivre est toujours faible : Il faut l'amplifier. A cette fin, on trouve un ou plusieurs étages
( drivers ) donnant une préamplification et assurant l'adaptation entre l'oscillateur et l'étage de puissance ( le PA ), ce dernier amenant la HF à la puissance désirée et l'envoyant à l'antenne à travers un filtre.

On distingue très bien ces trois sections sur la photo ci-contre et
sur la figure 2.
Pour ce qui concerne nos émetteurs RC, la puissance HF finale est toujours inférieure au watt.
Si on considère l'intensité globale consommée par la platine HF complète, on peut calculer la puissance CONSOMMEE.
Par ex. une platine HF soutirant 100 mA sous 12 V absorbe
P = 12 x 0.1 = 1.2 W

Bien entendu, l'oscillateur et le driver consomment sans rayonner. Il reste donc le PA : En supposant qu'il prélève 70 mA sur les 100, il absorbe 12 x 0.07 = 0.84 W. Mais
son rendement n'est pas de 100 % , on peut l'estimer, compris entre 50 et 75%, soit donc 0.42 à 0.63 W de HF utile envoyés à l'antenne. Ces chiffres correspondent assez bien à la plupart de nos émetteurs qui rayonnent une puissance de l'ordre du 1/2 watt.

A remarquer que la puissance HF émise a une incidence relativement faible sur la PORTEE. En effet, celle-ci varie avec la racine carrée de la puissance. Pour DOUBLER la portée, il faut QUADRUPLER la puissance.
Ainsi, si deux émetteurs semblables ont des puissances de 500 et 750 mW, leurs portées seront dans le rapport
750^1/2/500  soit env. 1.2 seulement. En doublant la puissance, donc la consommation on gagne 2^1/2 soit 1.4 fois sur la portée.
NB. Puissance "1/2" équivaut à "racine carrée"
Bien entendu la consommation a un effet immédiat sur l'autonomie, c'est pourquoi la puissance HF doit rester raisonnable. Si votre émetteur consomme 200 mA, avec des batteries de 500 mAh, vous ne moisirez pas longtemps sur le terrain !
C'est le cas de quelques émetteurs commerciaux.

Notre émetteur rayonne sur une fréquence précise définie en général par un quartz. Dans l'idéal il ne doit donc créer de la HF qu'à cette fréquence. Dans ces conditions si on observe son SPECTRE, celui-ci doit montrer une raie unique. Fig 3a

Hélas, rien n'est parfait et le signal HF est toujours affecté
d'une certaine distorsion :
Il n'est pas parfaitement sinusoïdal comme il  devrait.
Une distorsion correspond toujours à la création de
fréquences HARMONIQUES : Si la porteuse est à F kHz,
il existe alors du 2F, 3F, 4F ... kHz !
Ainsi un émetteur 41 MHz va-t-il rayonner, outre le 41,
du 82, 123 ... MHz. Le spectre prend alors l'allure de la
  fig. 3b. A noter que ces fréquences parasites ne gênent pas
les modélistes voisins mais d'autres utilisateurs.
La réglementation préconise de maintenir les harmoniques à
au moins 30 dB de la fondamentale. ( soit 1000 fois moins en puissance )
Le filtre passe-bas situé entre le PA et l'antenne ( Fig. 1 ) a précisément cette mission.

. La MODULATION

Il ne suffit pas de rayonner de la HF pour le plaisir, il faut encore et surtout lui faire véhiculer une information et ainsi la transformer en PORTEUSE de données.

La MODULATION de la porteuse consiste à y écrire les signaux à transmettre ( ceux de notre codeur ) afin de les faire parvenir à qui de droit.

Aux prémices de la TSF ( Télégraphie Sans Fil ) on a fait cela très simplement par coupure périodique du rayonnement. En somme, du numérique avant l'heure : Pas de HF = 0, HF émise = 1.

Un code, le MORSE fut inventé pour la cause et cela permit d'envoyer des messages "codés", donc des mots, des phrases...

L'avantage du procédé est sa capacité d'être utilisable dans de mauvaises conditions de transmission, car il est assez facile de trier les 0 et les 1. L'inconvénient est bien sûr la rusticité de la liaison. Il fallut donc passer à la Téléphonie Sans Fil, pour transmettre des sons, la parole, la musique. La "porteuse pure" fut remplacée par la "porteuse modulée"

- MODULATION d'AMPLITUDE.

C'est assez simple : Au lieu de faire passer la puissance de tout à rien ( Fig. 4a )
on la fit passer ANALOGIQUEMENT de 0 au maximum, au gré du signal à transmettre. Lorsqu'il s'agit de faire une transmission de qualité, le TAUX de modulation doit être réduit, comme en Fig.4b. C'est ce que font les émetteurs de radiodiffusion des bandes PO et GO pour lesquelles l'AM
est le seul mode de modulation utilisé. Dans ces conditions et avec un signal modulant pur ( bien sinuso‹dal ) le SPECTRE au voisinage de la porteuse a l'aspect de la Fig. 5a. On y voit cette porteuse, encadrée de raies distantes de fm, fréquence modulante d'amplitude plus faible et fonction du taux de modulation. Ce sont les bandes latérales.
Par contre, quand le signal modulant est à fronts raides

( carré ! ) et le taux de modulation de 100%, le spectre prend l'aspect de la Fig. 5b, avec un encombrement bien plus grand. Or, c'est précisément ce que font les émetteurs RC de type AM pour lesquels la modulation se fait en fait en Tout ou Rien, le driver étant alimenté à travers un transistor interrupteur.
Voir Fig. 1. On comprend alors très bien pourquoi ce type d'émetteur a été abandonné car n'assurant pas une cohabitation paisible sur le terrain et ne permettant pas des canaux HF rapprochés.

Il y a quelques années, la firme SIMPROP avait proposé un émetteur AM dit SSM ( Sinuso‹dal Signal Modulation )
opérant comme en Fig. 4b, mais avec un taux de modulation proche de 100%, ceci afin de revenir à un spectre plus propre, type Fig 5a. Ce procédé AM n'a pas eu de lendemain car très vite remplacé par la FM.

Nous verrons plus tard, lors de l'étude des récepteurs, d'autres inconvénients de l'AM : saturation des Rx, variation du niveau détecté ....

- MODULATION de FREQUENCE ( FM )

Le signal modulant ne modifie plus l'amplitude de la porteuse mais sa fréquence. Par exemple, les alternances positives du signal modulant augmentent la fréquence et les négatives la diminuent. A l'heure actuelle ce résultat est toujours obtenu à l'aide d'une diode VARICAP, sorte de condensateur variable commandé par une tension. Voir Fig. 6a. Remarquer que la cathode de la diode est reliée au + et qu'elle travaille en blocage.
Plus la tension positive est élevée et plus la diode est bloquée ce qui diminue sa capacité équivalente.
La VARICAP est inséré dans le retour à la masse du quartz du pilote ou en parallèle sur la bobine du VCO.
Voir Fig. 6b et 6c.

Sous l'effet de la modulation, la fréquence de la porteuse va évoluer entre un minimum, Fm et un maximum FM. Fig. 7. L'écart entre ces valeurs limites est appelé SWING. Dans le cas de nos émetteurs RC, le swing est de l'ordre de 3,5 kHz.





Dans celui des émetteurs de radiodiffusion FM il est de l'ordre de 75 kHz. Ces derniers ont ainsi la possibilité de faire de la HIFI. En RC, le mode pratiqué est le NBFM ( Narrow Band FM ), il ne permet que la téléphonie : Il ne peut passer que des fréquences modulantes basses, inférieures à 4 à 5 kHz. C'est un problème invoqué lors de l'étude du codage PCM.
Si le signal est symétrique, les déviations de fréquence le sont aussi :
F - Fm = FM - F . F étant la frequence NOMINALE de la porteuse.
C'est  le cas des sons, par exemple. Fig. 7


Mais le signal PPM de nos émetteurs ne l'est pas, les paliers de voies et de synchro durant beaucoup plus longtemps que ceux des impulsions. De plus, le signal est à fronts raides. Dans ces conditions, l'oscillateur passe très rapidement de Fm à FM ou de FM à Fm et il reste plus longtemps sur ces limites, surtout lors des paliers longs. Le spectre prend alors l'allure de la Fig. 8 où l'on voit très bien la fréquence limite émise le plus longtemps.




Sur la figure, c'est FM qui est
favorisée. Arbitrairement nous
appellerons ce sens de modulation, sens 0. Mais il est possible de faire l'inverse, simplement en envoyant
sur la varicap un signal PPM inversé. Cela donne un spectre retourné droite-gauche : Sens 1.
Le problème c'est que dans le récepteur, le signal détecté sera aussi retourné et que le décodeur ne le reconnaîtra que s'il est étudié pour ! Et voilà pourquoi le Rx PPM de Paul ne fonctionne pas forcément avec le Tx PPM de Pierre !
Notons que l'émetteur SUPERTEF de l'auteur permet au choix les deux sens de modulation.

Résumons les caractéristiques essentielles d'un émetteur RC :
- Il doit délivrer une fréquence très stable, par pilote à quartz ou synthèse de fréquence.
- Le SPECTRE de fréquence doit être propre :
- La fréquence émise doit avoir un niveau d'harmoniques faible. ( La vérification se fait à l'analyseur de spectre en bande large, par ex. de 0 à 1 GHz )
- La largeur de bande occupée doit être aussi réduite que possible ( Vérification avec le même appareil en bande étroite )

Note sur la mesure de la fréquence émise par un émetteur RC.

Cette mesure se fait avec un fréquencemètre numérique.

- AM. L'émission étant du type 4a, il est IMPOSSIBLE de mesurer la fréquence par couplage avec l'antenne.
En effet l'appareil compte uniquement les périodes émises pendant les salves et de ce fait, indique toujours un résultat très inférieur et aléatoire. Une mesure est possible, par couplage avec la bobine L1 de l'oscillateur, à condition que la modulation soit bien appliquée sur le driver et non sur le pilote, ce qui arrive quelquefois.

- FM.  La mesure est possible par couplage à l'antenne.

* Codage PPM. Nous avons vu ci-dessus que la modulation bascule la fréquence sur FM ou Fm, mais pendant des durées inégales. Selon le sens 0 ou 1 de la modulation, le fréquencemètre favorisera donc FM en sens 0 et Fm en sens 1. Dans le premier cas, avec un swing de 3.5 kHz, la fréquence mesurée sera 1.25 kHz au dessus de la fréquence nominale et inversement avec le sens 1. Pour le spectre de sens 0, montré en Fig. 8, la densité des points est fonction de la durée de l'émission à une fréquence donnée. Dans ce cas, c'est FM qui est favorisée et c'est presque cette valeur que le fréquencemètre affichera. La fréquence nominale est au centre du spectre. Remarquer la séquence PPM dans le tracé. Si vous émettez bien sur 41140 kHz, par ex. sens 0, vous devez obtenir 41141.25 en sens 0 et 41138.75 en sens 1, par mesure au fréquencemètre.

* Codage PCM. Dans ce cas, on peut estimer que globalement, le signal de modulation contient autant de 0 que de 1, ce qui met Fm et FM à égalité : La fréquence mesurée est la fréquence nominale.

Note sur l'intermodulation des émetteurs.

Si vous êtes seul sur le terrain, le spectre des rayonnements HF a toutes les chances d'être celui de la Fig. 3. C'est rarement le cas, les émetteurs en service souvent nombreux. Dans l'idéal on devrait voir apparaître sur le spectre autant de raies que d'émissions. Mais attention aux émetteurs trop rapprochés. Une antenne n'a pas d'état d'âme ! Elle émet et elle reçoit !
Celle de votre émetteur émet donc votre HF, mais elle reçoit aussi la HF de votre voisin. Cette dernière pénètre ainsi dans le PA de votre émetteur et s'y mélange avec votre propre signal. Mais les PA de nos émetteurs sont toujours non-linéaires par définition ( classe C ) Ils sont incapables de gérer proprement les mélanges et du coup fabriquent des harmoniques à tout crin. Prenons un exemple :

TX1 sur 41100, TX2 sur 41140, harmoniques 2 : 82200 et 82280.
               Dans l'émetteur TX1 :
Mélange 41100 et 82280 --> 82280 - 41100 = 41180
Mélange 41140 et 82200 --> 82200 - 41140 = 41060
Cet émetteur va rayonner, en plus du 41100, du 41180 et du 41060
              Idem dans l'émetteur TX2 

Le spectre global va donc s'agrémenter de deux raies supplémentaires à niveau d'autant plus fort que les deux émetteurs sont proches.
La figure 9 montre le résultat pour une distance de 50 cm environ.
( raies parasites à - 30 dB )
--> En pratique, les modélistes doivent se tenir sur le terrain avec des intervalles au moins égaux à 2 m !

--> Se rappeler que les raies parasites se placent dans le spectre à des intervalles égaux à l'écart des fréquences utiles.
Par ex, deux émetteurs sur 72200 et 72300
( écart 100 kHz ) risquent de perturber 72200 - 100 = 72100 et 72300 + 100 = 72400 !! Les autres raies étant à niveaux trop faibles pour gêner.