MONTIGNY Eric
Chapitre 4 Récepteurs
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1.Types de récepteurs Le récepteur est le complément de l’émetteur. A ce titre, le récepteur devra réaliser dans l’ordre inverse, les opérations réalisées par l’émetteur. Il devra donc séparer la porteuse du signal BF, afin de pouvoir rendre audible le signal basse fréquence. Le procédé le plus élémentaire consisterait à amplifier le signal présent à la sortie de l’antenne, et ensuite de l’amplifier avec plusieurs étages distincts :
Antenne
Amplification 1
Amplification 2
Ce système trouve ces limites : il y a des risques d’accrochages entre les différents étages, et pour modifier la fréquence de tous les circuits il faudrait commander individuellement chacun des blocs, ce qui se montrerait en pratique assez fastidieux à concevoir… On recourt à un autre procédé, dit « superhétérodyne ». Cela consiste à convertir la fréquence reçue par l’antenne, en une fréquence fixe (la fréquence intermédiaire FI), qui sera ensuite amplifier. Notons qu’il existe des récepteurs à double ou triple changement de fréquence. a)Récepteur superhétérodyne à simple changement de fréquence Antenne
Ampli RF
Mélangeur
Oscillateur local
Ampli FI
Démodulateur
Ampli BF
Haut parleur
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b)
Récepteur superhétérodyne à double changement de fréquence Antenne
Ampli RF
Mélangeur 1
Oscillateur local 1
Ampli FI 1
Mélangeur 2
Oscillateur local 2
Ampli FI 2
Démodulateur
Ampli BF
Haut parleur 2.Schémas synoptiques Les schémas précédents sont valables pour tous les modes de modulation, seul l’étage de démodulation s’en trouvera modifié. a)Récepteur AM Le démodulateur est un détecteur d’enveloppe. b)Récépteur FM Le démodulateur est composé : -D’un limiteur -D’un discriminateur c)Récépteur CW et BLU Le démodulateur est composé : -D’un détecteur de produit (avec son BFO) -D’un filtre passe-bas (pour ne récupérer que la fréquence f du signal BF) 3.Rôle et fonctionnement des différents étages a)Amplificateur HF Il a un triple rôle : -Sélectionner la fréquence d’émission correspondant à celle que l’on désire recevoir (via un circuit LC dont la capacité C est variable pour permettre à l’utilisateur de sélectionner la fréquence qu’il désire recevoir). -Amplifier le signal sélectionné -Améliorer la protection contre la fréquence image
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Voyons un schéma réalisé à partir d’un amplificateur JFET :
b)Antenne
Antenne
Le mélangeur
Ampli RF
+VCC
Mélangeur
FET
Ampli FI
Démodulateur
VOUT
Ampli BF
Oscillateur local Haut parleur Le rôle du mélangeur est de permettre le changement de fréquence. Il reçoit deux fréquences : -FRla fréquence à recevoir -F0la fréquence de l’oscillateur locale Le mélangeur va mélanger ces deux signaux, et en sortie on aura : -La somme FR+ F0-La différence |FR-F0| Dans un récepteur superhétérodyne on sélectionne la fréquence de sortie différence FR qui sera celle de la fréquence intermédiaire FI, via un filtre.
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c)Oscillateur local Dans un récepteur superhétérodyne, il faut transformer les différentes fréquences à recevoir, en une seule qui constitue la fréquence intermédiaire (noté FI). Antenne
Ampli RF
Mélangeur
Ampli FI
Démodulateur
Ampli BF
Oscillateur local Haut parleur Les différentes fréquences à recevoir doivent être transformer en une seule fréquence (la FI). L’oscillateur locale doit fournir une fréquence F0par l’utilisateur (lorsque l’on change de fréquence à recevoir), de modifiable manière à ce que la FI reste constante. Deux cas de figures vont se présenter selon que la fréquence que l’on désire recevoir (notée FR) est supérieure ou inférieure à la fréquence intermédiaire FI. Cas 1 : FR> F0 FI = FR– F0, donc F0= FR– FI qui sera la fréquence de l’oscillateur. C’est un montageinfradyne. Cas 2 : FR< F0 FI = F0– FR, donc F0= FR+ FI qui sera la fréquence de l’oscillateur. C’est un montagesupradyne. On retiendra que pour un montageinfradyne, la fréquence de l’oscillateur est inférieure à la fréquence à recevoir. Pour un montagesupradyne, la fréquence de l’oscillateur est supérieure à la fréquence à recevoir. d)L’amplificateur de fréquence intermédiaire Antenne
Ampli RF
Mélangeur
Ampli FI
Démodulateur
Ampli BF
Oscillateur local Haut parleur L’amplificateur de fréquence intermédiaire à un double rôle, il doit : -Amplifier très fortement le signal -Apporter au récépteur sa sélectivité Dans l’idéal, le signal présent en sortie de l’amplificateur FI ne devrait comporter que le signal ayant la fréquence désirée. En pratique, il peut y avoir des signaux d’autres fréquences, raison pour laquelle on recourt à des filtres.
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e)L’amplificateur basse fréquence A la sortie du démodulateur, l’amplitude du signal BF est très faible. Il faut donc l’amplifier très fortement, c’est le rôle de l’amplificateur BF. Cet amplificateur doit délivrer une puissance suffisante pour permettre une écoute à un niveau sonore confortable, sur un haut-parleur. Antenne
Ampli RF
Mélangeur
Oscillateur local
Ampli FI
Démodulateur
Le chronogramme ci-dessous illustre une amplification forte d’un signal de faible amplitude :
1 . 0 V
0 . 5 V
0 V
- 0 . 5 V
Ampli BF
Haut parleur
- 1 . 0 V 0 s 1 0 m s 2 0 m s 3 0 m s 4 0 m s 5 0 m s 6 0 m s 7 0 m s 8 0 m s 9 0 m s 1 0 0 m s V ( V 1 : + ) V ( R 5 : 2 )  T i m e Cet étage amplificateur peut être réalisé à partir de transistors, ou grâce à des circuits intégrés modernes, qui ne demandent que très peu de composants périphériques. f)L’oscillateur de battement Antenne
Ampli RF
Mélangeur
Oscillateur local
Ampli FI
Démodulateur
Ampli BF
Haut parleur
Seul le démodulateur va changer, selon la modulation utilisée. Etant donné que nous avons déjà traitée les fonctions réalisés par le démodulateur selon le mode, nous allons simplement évoqués les parties que nous n’avons pas encore traité, à savoir : le BFO (Beat Frequency Oscillator).
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Le BFO est utilisé pour les modulations en bandes latérales uniques (qui rappelons-le possède une seule bande latérale, avec une porteuse atténué ou supprimée). Au moment de la réception, il faut régénérer la porteuse qui a été supprimé : l’oscillateur doit donc osciller à la fréquence F. Cette fréquence F est quelque peu supérieure à la fréquence FI, si le signal correspond à la bande latérale inférieur. Par contre, F est légèrement inférieur à FI, si le signal correspond à la bande latérale supérieure. L’écarte entre les deux porteuses étant conventionnellement de 3kHz.
A
BLI
Porteuse
BLS
f3kHz L’oscillateur BFO doit délivré une fréquence très stable, ne variant pas, car selon rendrait incompréhensible la modulation reçue. g)Contrôle automatique du gain Son rôle est de maintenir constant le niveau du signal basse fréquence, et cela, quelque soit l’amplitude du signal reçue par l’antenne. Ainsi si le signal reçu est faible, le gain sera très grand,à contrariosi le signal reçu est puissant, le gain sera faible. h)Le calibrateur à quartz Il s’agit d’un appareil destinée à être le succédané du fréquencemètre. i)Le S-mètre Il indique la force relative (à une référence) du signal reçu à l’entrée du récépteur. Cet appareil de mesure se présente sous la forme d’un galvanomètre (pour les modèles analogiques), ou sous la forme d’un barragraphe ou d’un écran à cristaux liquides pour les modèles numériques. Rappelons que le gain en tension est donné parG=20.log(T) . DB A chaque fois que la tension double (on parle d’une octave), on gagne 6dB, en effet :G=20.log(2)6 . DB Ainsi, à chaque fois que la tension double, on gagne un point sur leS-mètre. Etant donné que leS-mètre donne une mesure relative, il convient de définir une référence. Généralement on prend 100µV ou 50µV. On affecte la valeur 9 à la tension maximum. Ainsi si on considère que le maximum sera pour 100µV, on aura : S1 S2 S3 S4 S5 S6 S7 S8 S9 0,39µV 0,78µV 1,56µV 3,13µV 6,25µV 12,5µV 25µV 50µV 100µV j)Le silencieux (squelch) En l’absence d’émission, force est de constater qu’il y a un bruit de souffle, qui s’avère gênant pour l’utilisateur. Dès qu’une émission apparaît, ce bruit de fond est camouflé par le signal de l’émission. Afin de rendre l’écoute agréable, un ingénieux système, baptisé le silencieux, permet de supprimer ce bruit de fond.
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4.Caractéristiques des récepteurs L’objectif de ce paragraphe n’est pas de proposer une étude approfondie des caractéristiques des récepteurs, mais simplement de mettre en évidence les caractéristiques générales des récepteurs. a)Canal adjacent b)Sélectivité La sélectivité est l’aptitude que possède un récepteur à séparer le signal utile du signal indésirable. Il apparaît donc la notion de bande passante. Appliquons à l’entrée d’un système, un signal sinusoïdal, d’amplitude constante, et relevons l’amplitude du signal de sortie, en fonction de la fréquence : GDBGMAX
GMAX3dB
f
F0 F F1F2 On obtient une courbe de sensibilité, qui illustre la bande passante :F=FF. 2 1 F+F 1 2 On définit la fréquence centrale par :f=, qui est la fréquence centrale. 0 2 On dit que le circuit est centré sur F0avec une bande passante deF. Un circuit très sélectif peut très bien transmettre des signaux indésirables : il ne faut donc pas confondre circuit sélectif, et pouvoir de séparation des signaux. Un récepteur ne reçoit pas que le signal utile, il y a aussi des signaux harmoniques. Cette sélectivité est de 12kHz pour la FM bande étroite, et 2,5kHz pour la BLU, et 500Hz pour la télégraphie. c)Sensibilité La sensibilité est la faculté que possède un récepteur d’exploiter les signaux utiles parmi le bruit. On peut faire une analogie avec notre oreille : supposons que l’on se trouve dans un hall bondé, bruyant, et qu’une personne nous parle. Si nous parvenons à distinguer le son de la voix du correspondant, on peut dire que notre oreille est sensible. Par contre, si nous ne parvenons pas à séparer la voix du correspondant du brouhaha ambiant, notre oreille est très peu sensible. On distingue deux sources de bruit : -Le bruit extérieur au récepteur, constitué des signaux indésirables captés par l’antenne -Le bruit interne au récepteur, due à l’agitation thermique des électrons Bruits extérieurs au récepteur : L’antenne reçoit le signal désiré, mais aussi un grand nombre de signaux non désirés par l’utilisateur. Ce bruit peut avoir plusieurs origines : -Le bruit galactique (crée par les radiations des astres) -Le bruit atmosphérique (orage, par exemple) -Le bruit industriel (lignes à haute tension, véhicules)
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Bruit interne au récepteur : Les particules libres (par exemple les électrons) d’un matériau, sont en perpétuels mouvement. Ce mouvement est aléatoire, erratique et permanent, on parle de mouvement Brownien (en hommage à Robert Brown, qui a fait cette découverte). Cette agitation dépend de la température : plus la température augmente, et plus l’agitation est intense. Au zéro absolue (-273,15°K), il n’y a plus aucun mouvement. Ce déplacement d’électrons correspond à un courant électrique. Ainsi, l’agitation des électrons dans un conducteur provoque à ces bornes, une différence de potentielle, que l’on appelle « bruit blanc ».
ddp La puissance du bruit généré par le mouvement brownien est donnée par : B=k.T.fB B : Puissance du bruit blanc (en Watts) T : Température absolue (en Kelvin) kB: Constante de Boltzmann f: Bande passante (en Hertz) On notera que ce bruit blanc est indépendant de la fréquence, ainsi que de la résistance électrique du matériau. La puissance du bruit en tant que telle, n’est pas une grandeur intéressante. On compare ce bruit au signal utile, on définit alors le rapportsignal/bruit. Considérons un étage, présentant un gain G, à l’entrée duquel on applique un signal utile, ainsi que du bruit. A la sortie, on va récupérer le signal utile, ainsi que du bruit :
Signal1 Bruit1
Système G
Signal2Bruit2
On définit le facteur de bruit de l’étage, par : S1 B 1F=S2 B 2Et le rapport S/B est appelé «rapport signal/bruit». La sensibilité d’un récepteur est définie par la valeur de la tension du signal utile d’entrée, qui donne à la sortie, une valeur déterminée (par convention ce rapport signal/bruit est de 10dB en BLU et CW, et de 13dB en FM). Exemple : Soit un récepteur ayant une sensibilité de 15µV à 10dB de S/B. Cela signifie que si on lui applique 15µVune tension de 15µV en entrée, le rapport A=20.log=  10dB . BNote : Plus le bruit propre du récepteur est faible, et plus le rapport signal/bruit sera important.
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d)Stabilité Si le récepteur est sélectif et que la bande passante est étroite, une petite variation de fréquence se traduirait par la perte du signal utile. Il faut donc que l’oscillateur local soit très stable (on privilégiera donc les oscillateurs pilotés par quartz). Cette stabilité trouve son importance notamment en BLU ou en CW ; en AM et en FM une petite dérive en fréquence n’aura pas de grandes conséquences. e)Fréquence image Notons FIfréquence centrale de l’amplificateur à fréquence intermédiaire (FI), et F la 0 la fréquence de l’oscillateur local. Deux fréquences F1et F2sont susceptibles d’être reçues, telles que : F1= F0+ FIF2= F0– FIEn effet, l’étage changeur de fréquence assure le battement entre la fréquence d’entrée et celle de l’oscillateur locale, et la différence des deux fréquences doit être égale à FI pour que le signal résultant puisse être amplifié. Dans le cas présent, le changeur de fréquence fournira : F1– F0= F0+ FI– F0=FIF0– F2= F0– (F0– FI) = F0– F0+ FI=FIPour qu’un seul de ces deux signaux soit amplifié, il faut que la sélectivité des étages d’entrée soit telle que la fréquence indésirable dite « fréquence image » se trouve rejeté en dehors de la bande passante des circuits d’entrée. Une bonne protection contre la fréquence image s’obtient par le choix d’une valeur de fréquence intermédiaire assez élevée. La valeur typique de la réjection de la fréquence image est -60dB. f)Fréquence intermédiaire L’amplificateur intermédiaire des récepteurs à fréquence intermédiaire possède un gain très élevée. Si un signal de fréquence égale à la fréquence intermédiaire se présente à l’entrée, il serait amplifié, et provoquerait une déstabilisation, voir un blocage du récepteur. Pour s’en prémunir, on utilise des filtres, qui atténuent fortement le signal ayant cette fréquence critique. La valeur typique de la réjection de la fréquence intermédiaire est -60dB. g)Intermodulation Considérons un amplificateur linéaire. Nous l’avons vu lors d’un précédent chapitre, un amplificateur est un dispositif qui multiplie par une constante réelle, non nulle, noté k, la puissance (en amplifiant la tension, le courant, voir les deux à la fois). Ainsi, si on a en entrée d’un système, un signal de la forme : u(t)=U.sin(wt+φ) E Une fois amplifié, on devrait avoir un signal de la forme : u(t)=k.U(t)=k.U.sin(wt+φ) S E Ainsi, on constate que le signal d’entrée et de sortie ont tous deux la même fréquence. Or si l’amplificateur n’est pas linéaire, le signal de sortie n’aura pas exactement la même allure que le signal d’entrée (la sinusoïde présente en sortie, est déformée)… Ainsi, la décomposition de Fourier discrète va faire apparaître des raies représentant des signaux parasites, ayant une fréquence multiple de la fréquence fondamentale du signal. Les divers signaux vont donc interagir entre eux, et des signaux résultants vont voir le jour : ce sont les produits d’intermodulation. A A
f f f0 f0 f1 f2 f3Décomposition spectrale du signal d’entrée. Décomposition spectrale du signal de sortie. La non linéarité d’un amplificateur s’obtient notamment lorsque l’amplitude du signal appliqué en entrée est grande (on est proche de la saturation).
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h)Transmodulation Il s’agit d’un défaut dû au manque de linéarité de l’étage haute fréquence lorsqu’il reçoit un signal fort. Si le signal puissant à une fréquence voisine du signal écouté, ce signal non souhaité va moduler le signal écouté : on entendra alors le signal écouté, mais également la nouvelle modulation.