QUALITES et DEFAUTS des récepteurs
Nous avons étudié, dans les pges précédentes, le fonctionnement des
récepteurs AM ( 10 ) et celui des récepteurs FM
( 11 ). Nous avons montré que la FM s'avérait plus performante que l'AM. Cependant les
deux types de récepteurs se retrouvent sur des qualités et défauts communs.
Le récepteur idéal devrait être capable de recevoir des signaux très faibles afin de donner une grande portée : Il devrait avoir une grande SENSIBILITE. Par ailleurs, il devrait ne recevoir que l'émission qui lui est destinée, donc avoir une grande SELECTIVITE.
1. SENSIBILITE
Pour garantir cette qualité, le récepteur doit comporter un nombre
d'étages amplificateurs suffisant. Il s'avère particulièrement efficace d'amplifier le
signal dès son entrée dans le récepteur, donc sur la fréquence reçue, avant
changement de fréquence.
Un récepteur sensible aura donc un ampli HF. Bien conçu, cet étage peut donner un gain
de 10 à 20 dB ( donc de 10 à 100 fois ). Pour bien faire, cet ampli doit être à faible
bruit de manière à favoriser le rapport signal/bruit, faute de quoi il est plus nuisible
qu'utile.
La sensibilité de nos récepteurs RC est de l'ordre du µV : Selon les modèles elle peut
aller de 1 à 10 µV. A vrai dire, il n'est pas nécessaire d'avoir une sensibilité
exagérée ( 1 µV ) car les portées obtenues dépassent alors de très loin les
possibilités visuelles du pilote. En revanche, une trop faible valeur ( 10 µV ) risque
de poser problème lors de certaines phases du vol : passage bas et lointain, approche
d'atterrissage de loin, antenne pointant un modèle éloigné.
Le champ HF de l'émetteur étant variable avec le carré de la
distance, la grande sensibilité n'est utile que lorsque le modèle
est très éloigné. Par contre, à courte distance, elle serait plutôt néfaste ( voir
plus loin ) C'est la raison pour laquelle une commande automatique de sensibilité est
fort utile. Elle doit être appliquée sur l'étage HF d'entrée pour être efficace.
Nous en reparlerons.
2. SELECTIVITE
Elle doit assurer une bonne sélection des émissions voisines : canaux
à 10 kHz en 41 MHz et à 20 kHz en 72 MHz. La courbe de sélectivité idéale devrait
être rectangulaire. Voir Fig. 1.
Le récepteur accepte tout ce qui se situe dans sa bande passante BP et il ne reçoit
strictement rien en dehors. La bande passante ne peut pas être trop étroite car il faut
penser à la fréquence modulée, donc variable avec un spectre de quelques kHz de
largeur, ainsi qu'aux bandes latérales de l'AM.
La sensibilité dans la bande est constante.
Bien entendu, en pratique, une telle courbe de
sélectivité n'existe pas. On essaie simplement de s'en rapprocher. On aura alors une
courbe de l'aspect de la Fig. 2 . On y voit quelques fluctuations de
niveau dans la BP,
les flancs sont inclinés, ce qui fait varier la largeur de
bande en fonction du niveau considéré :
par ex. 5 kHz à -6 dB, 10 kHz à -30 dB, 20 kHz à -50 dB .
Le plus souvent cette bande est indiquée à -6 dB, ce qui correspond à une
amplitude
moitié de la maximale notée 0 dB. Une particularité importante de la courbe de la Fig.
2 est qu'elle ne tombe jamais à 0,
ce qui veut dire qu'en dehors de la BP les signaux puissants passent un peu, même s'ils
sont très atténués. Cela permet de
comprendre qu'un récepteur captant un signal utile faible, peut être perturbé par un
signal parasite puissant situé hors bande.
Un exemple : Deux pilotes font évoluer leurs
modèles en se tenant loin l'un de l'autre. ( 100 m ou plus )
Si l'avion du premier passe trop près du second, il risque fort d'aller au tapis ! Le
signal HF du second passant
finalement aussi fort que celui du premier, compte tenu du rapport très important des
distances.
Conclusion : Sur le terrain, les pilotes doivent se
grouper, sans tomber dans "l'épaule contre épaule" situation
que nous avons évoquée et qui provoque une intermodulation des émetteurs.
Eh oui, difficile de faire parfait !
Rappelons que la sélectivité des récepteurs ne peut pas s'obtenir
dans les étages d'entrée accordés sur la fréquence reçue.
Ces étages sont du type LC à bande passante bien trop large. La sélectivité est donc
obtenue après changement de fréquence qui fait passer le signal à 455 kHz. Sur cette
fréquence basse, la sélectivité des bobines ( 1/50 F ) est suffisante.
Toutefois, dans nos récepteurs actuels, les bobines sont rarement utilisées. Elles sont
presque toujours remplacées par des filtres céramiques ou à quartz. Cela s'explique par
l'usage des circuits intégrés dans lesquels il est très facile de graver des cascades
d'étages amplificateurs. Notons la différence de comportement entre bobines et filtres :
La bobine utilise la résonance . Celle-ci favorise la fréquence utile au détriment des
autres . On pourrait dire qu'elle a un
effet actif. Le filtre, au contraire laisse passer la fréquence utile, sans l'amplifier,
au contraire ( perte d'insertion ) et tend à
éliminer les autres. Son effet est donc plus passif et il exige des étages à grand
gain.
Bien entendu, le filtre a l'avantage de l'absence de tout réglage, donc aussi de
déréglage. Généralement les filtres ont une structure "en échelle" avec
mise en série de plusieurs cellules. Voir Fig. 3.
On parle de filtres à 2, 3
8 pôles .
Un exemple : le CFW455H très répandu dans
nos récepteurs : Voir Fig. 4.
- Bande passante à - 6 dB : 6 kHz
- Bande passante à - 50 dB : 18 kHz
- Réponses parasites hors bande : - 35 dB max
Bien entendu, il n'existe pas de récepteur parfait ! Voyons ci-dessous certains de leurs défauts.
LA FREQUENCE IMAGE
C'est le talon d'Achille des récepteurs à simple changement de
fréquence.
La Fig. 5 rappelle le principe du changeur en question qui fabrique le
455 kHz
par battement différence entre la fréquence reçue Fr et la fréquence de l'oscillateur
local Fo : Fr - Fo = 455 kHz
Ex . Pour recevoir 41100 kHz, on
utilise un quartz de 40645 kHz puisque
41100 - 40645 = 455.
Malheureusement, avec ce quartz, il y a une seconde fréquence qui va
donner un battement à 455 kHz. C'est le 40190 kHz, puisque 40645 - 40190 = 455 aussi !
C'est la fréquence image de 41100 kHz On l'appelle ainsi car elle est
symétrique de 41100 par rapport à la fréquence du quartz.
Hélas, cette fréquence image est trop proche de la fréquence utile
( écart = 2 x 455 = 910 kHz ) pour pouvoir être réjectée par les bobines d'entrée du
récepteur. Elle est au plus un peu atténuée, mais fort bien reçue. Voir Fig. 6.
Cela double évidemment le risque potentiel de brouillage.
La seule parade à ce problème consiste à éloigner la fréquence
image de l'utile. Puisque cet écart est égal à deux fois la FI,
il faut augmenter la fréquence FI. Mais alors survient un autre problème . Nos
récepteurs fonctionnent en NBFM, à faible swing , 4 kHz environ , ce qui correspond à
4/455 = 0.8% environ de variation FI. Les démodulateurs acceptent parfaitement cette
valeur et délivrent un niveau BF correct d'environ 1 Vcc. Si nous faisons passer la FI à
4.5 MHz, par exemple, la FM
ne représentera plus que 0.08% et le niveau BF tombera à un niveau bien trop faible pour
être exploitable.
Et pourtant l'augmentation de la valeur FI est la seule voie possible.
Pour régler la question il n'existe qu'une seule solution :
Le double changement de fréquence. Voir Fig. 7.
Le premier changeur
MIX1 délivre une FI1 à 10700 kHz
( soit environ 23 fois 455 kHz ) Le second changeur MIX2
donne le 455 kHz à l'aide d'un quartz fixe de 10245 kHz.
( 10700 - 10245 = 455 ). Pour changer de fréquence,
on change QZ1 :
Ex. Fr = 41100 kHz QZ1 = 30400 kHz . (
41000 - 30400 = 10700 ). La fréquence image est égale à 30400 - 10700 = 19700 kHz donc
à 21400 kHz de Fr ( 2 x 10700 ) Il va
sans dire que cette fréquence est totalement éliminée par les étages d'entrée. Voir
Fig. 8 .
Mais attention, qu'advient-il de notre fameuse fréquence
image de tout à l'heure : Le 40190 kHz ?
Eh, bien, cette fréquence traverse allègrement les étages d'entrée et sort de MIX1
en donnant 40190 - 30400 soit 9790 kHz, lesquels, sans précaution
particulière vont se présenter à l'entrée de MIX2 et donner 10245 - 9790 = 455 kHz !!!
Sommes-nous donc maudits !! N'arriverons-nous donc jamais à nous débarrasser
de ce 40190 !! Heureusement si !! Mais pour cela, il faut intercaler entre MIX1 et MIX2 un
filtre 10700 kHz sélectif. Voir Fig.
9.
Ce sera donc un filtre à quartz, par exemple un XF106 de KVG, avec une
bande passante de l'ordre de 20 kHz à - 6 dB et une atténuation hors bande
meilleure que 40 dB. Tout cela dans un boîtier identique à celui du quartz HC25. Ce
filtre à quartz élimine totalement le 9790 kHz issu de MIX1 et résout
enfin
. notre casse-tête !
Ce filtre a par ailleurs un autre effet bénéfique : Il atténue fortement toutes les
émissions voisines qui ont traversé le premier mixer, ne laissant passer que le signal
FI1 utile. Dans ces conditions le risque d'intermodulation dans le second mixer est
pratiquement éliminé. Cela ne serait pas le cas, en utilisant un banal filtre céramique
10.7 MHz dont la bande
passante trop large ( 200 à 300 kHz ) ne permettrait pas de bloquer les canaux
adjacents..
Concluons en disant que le doubleur changeur c'est beaucoup mieux que le simple
à
condition qu'il ait un filtre à quartz, faute de quoi il n'est pas meilleur et peut même
être pire !
L'INTERMODULATION
Nous avons déjà abordé cette "maladie" lors de l'étude
des émetteurs, en expliquant que trop proches, ils fabriquaient des fréquences
parasites.
Hélas, le même phénomène se produit dans les récepteurs. Tout vient toujours des
étages non linéaires, ce qui est bien le cas des mixers. Tout étage non linéaire
engendre de la distorsion du signal qui le traverse, c'est-à-dire qu'il crée des
harmoniques de ce signal et cela d'autant plus violemment que les signaux sont forts.
Supposons, par exemple, deux fréquences F1 et F2 puissantes, captées en même temps. Il
se crée des fréquences parasites 2 F1, 3 F1
. 2 F2, 3 F2
. Il s'ensuit des
battements 2 F1 - F2, 2 F2 - F1
pour ne parler que des plus forts ( ordre 3 ) .
Voir Fig. 10
Un petit exemple précis :
3 modélistes sur le terrain : Paul émet sur 41050 kHz ( F1 ), Pierre
sur 41100 ( F2 ) et Jacques sur 41150 ( F3 ). Avec 50 kHz entre fréquences, ils pensent
que tout est parfait ! Mais
.
Dans le Rx de Jacques : 2 F2 - F1 = 2 x 41100 - 41050 = 82200 -
41050 = 41150 !
Et le pauvre Jacques risque d'être brouillé par la conjonction des émissions de ses
deux amis. Il le sera surtout si les signaux sont forts, à courte distance, ou même à
distance moyenne, si son avion et les antennes respectives ont des positions telles que
son récepteur favorise plus les signaux des deux autres, que le sien.
Piètre consolation pour Jacques :
Dans le Rx de Paul : 2 F2 - F3 = 2 x 41100 - 41150 = 82200 -
41150 = 41050 !!
Et Paul risque aussi le brouillage. Dans cette partie à trois, seul Pierre s'en sort
indemne ! A partir de quatre, tout le monde risque de brouiller tout le monde !
Ce type de problème existe tout particulièrement lors des compétitions de voitures :
Les pilotes sont trop près les uns des autres ( intermodulation des émetteurs ), à
courte distance des modèles ( signaux forts ) et trop nombreux pour autoriser un choix
idéal des fréquences. Car c'est ce point qu'il faut vérifier : Il ne suffit pas de
constater que les fréquences sont différentes, il faut aussi éviter leur équidistance
: 41050, 41100, 41150 ont des écarts égaux de 50 kHz !
Existe-t-il des remèdes à ce danger potentiel ?
En fait, on peut limiter les troubles dus à l'intermodulation, on ne peut pas les
éliminer totalement.
- Qualité du mixer. Jouer sur le vrai coupable semble la
meilleure solution. Il existe des mixers, dits "à haut niveau" capables de
supporter des signaux très forts sans intermoduler. On les trouve en particulier dans les
récepteurs de trafic.
Observons la Fig. 11 qui nous montre dans quelles conditions
se créent les
signaux indésirables 2 F1 - F2 et 2 F2 - F1.
La courbe en trait continu représente le niveau du signal utile d'entrée. En tirets nous
avons le niveau des signaux parasites. On constate d'abord que pour les niveaux d'entrée
faibles, il n'y a pas de troubles. Ceux-ci apparaissent à partir d'un certain niveau
d'entrée. Mais à partir de là, ils croissent 3 fois plus vite que les signaux utiles,
parvenant en théorie à les égaler en un point appelé "d'interception".
Pratiquement le mixer est saturé avant ce point, la saturation correspondant au point dit
de "compression".
Pour un mixer à haut niveau, le point d'interception peut se situer à
+ 20 dBm ( env. 3 Veff sous 50W ), pour
un mixer intégré, genre MC3362, il est à quelque - 20 dBm ( env. 30 mVeff ). Avec un
tel circuit ou un équivalent, l'intermodulation apparaît à partir de - 50 dBm, soit 1
mVeff, ce qui n'est pas terrible, évidemment ! Hélas, les mixers à haut niveau sont
trop volumineux et surtout ils exigent un niveau d'oscillation locale très élevé allant
jusqu'à + 20 dBm . Ce n'est pas possible dans nos micro-récepteurs, dans lesquels seul
un choix judicieux des composants peut améliorer les choses..
- Niveau d'entrée. Puisque l'intermodulation apparaît sur signaux forts, il
faudrait les éviter autant que possible. Pour cette raison, la Commande Automatique de
Gain ( CAG ) est hautement souhaitable, mais il faut qu'elle soit appliquée AVANT le
premier mixer, donc sur l'ampli HF prévu pour accroître la sensibilité. La mise en
uvre de la CAG est grandement facilitée
par l'existence sur la plupart des circuits intégrés de réception, d'une sortie
"niveau HF" appelée RSSI ( Received Signal Strengh Indicator ) qui délivre un
courant ou une tension proportionnels à l'amplitude HF ( en dB ) du signal capté. Il
suffit d'utiliser cette sortie via un interface ad hoc, pour bloquer l'ampli HF sur
signaux forts et le libérer sur signaux faibles. Le remède n'est pas absolu mais très
efficace. L'action obtenue est transparente à l'utilisateur et ne lui apparaît pas bien,
sauf si dans d'autres circonstances, avec un Rx plus rudimentaire, il se fait envoyer au
tapis, sans trop savoir pourquoi !