MONTIGNY Eric
Chapitre 5 Emetteurs
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1.Emetteurs avec ou sans changement de fréquence a)Emetteur sans changement de fréquence Il s’agit par excellence du plus simple émetteur qu’il puisse être. Il est simplement constitué d’un oscillateur qui délivre le signal HF sur lequel viendra se greffer la modulation.
Oscillateur
Amplificateur HF
Antenne
b)Emetteur avec changement de fréquence Il constitue une version plus évoluée de l’émetteur sans changement de fréquence. C’est un oscillateur à fréquence variable qui permettra ce changement de fréquence :
VFO
Amplificateur HF
Antenne
c)Multiplication de fréquence Pour des raisons techniques, les valeurs de quartz ne permettent pas d’aller à des fréquences d’oscillations très élevées. Afin de pouvoir contourner cet obstacle, on utilise un multiplicateur de fréquence, qui va permettre de disposer d’une fréquence plus élevée, à partir d’une fréquence de référence :
Multiplicateur Fréquence f n.f par n Il est ainsi possible de disposer d’une grande gamme de fréquences accessibles, à partir d’une valeur de référence de quartz. 2.Schémas synoptiques a)Emetteur de télégraphie Antenne
VFO
Tampon
Manipulateur
Amplificateur RF
Filtre passe bas
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b)
Microphone
c)
Microphone
Emetteur SSB avec porteuse de téléphonie supprimée
Oscillateur de porteuse
Modulateur équilibré
Ampli audio
Emetteur FM
Ampli audio
Filtre de préaccentuation
Etage à réactance variable
Filtre à quartz
VFO
Mélangeur
VFO
Drivers
Multiplicateurs
Antenne
Passe bas
Amplificateur RF
Antenne
Passe bas
Amplificateur RF
3.Rôle et fonctionnement des divers étages a)Le mélangeur Le mélangeur a pour but de faire battre les deux signaux venant des deux oscillateurs, et de fournir en sortie un signal résultant représentatif de la somme de ces deux fréquences, et de la différence de ces deux fréquences. b)L’oscillateur L’oscillateur a pour mission de fournir un signal de fréquence égale à celle de la porteuse. c)Le séparateur L’étage séparateur se trouve à la sortie du VFO, ou du mélangeur. Il a pour mission d’isoler le système constitué de l’oscillateur, du reste du montage. En effet, le VFO ne doit pas voir varier sa fréquence à cause de l’étage suivant, c’est pour c’est raison que l’on place un étage isolateur entre l’oscillateur et le reste des circuits. d)Etage d’excitation
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e)Multiplicateur de fréquence Dans l’idéal, un multiplicateur de fréquence serait un dispositif qui délivrerait un signal de sortie ayant une fréquence multiple de celle appliquée en entrée.
A A Multiplicateur de fréquence idéal f0ff0 2.f0f En pratique il n’en est pas tout à fait ainsi… Le multiplicateur de fréquence réelle, va générer des harmonique de la fréquence fondamentale, et via un système de filtrage va sélectionner la fréquence désirée (qui sera donc multiple de la fréquence du fondamental). Si on cascade plusieurs multiplicateur, le facteur multiplicatif sera vite très élevée :
f0
xk
xk
xk
fM
nmultiplicateurs n La fréquence de sortie seraf=f.{k.k.k....}=f.(k) M0 0 Exemple : On applique une fréquence de 1MHz à l’entrée de trois multiplicateurs (chacun multiplie par 2), la 3 fréquence de sortie sera f=f.{2.2.2}=f.(2)=8.f=8MHz . M00 0 f)Amplificateur de puissance La puissance fournit par les étages du circuit est très faible, or il convient d’amplifier cette puissance afin que l’antenne puisse la rayonner. En FM et en télégraphie, l’étage final sera de classe C, et pour la BLU ce sera un étage de classe A (ou AB pour éviter la distorsion de croissement). g)Filtre de sortie Le signal HF qui sera appliquée en sortie, est loin d’être pur, en effet de nombreuses harmoniques peuvent se retrouver dans le signal. Il faut donc chercher à les atténuer le plus possible, c’est la raison pour laquelle on recourt systématiquement à des filtres (généralement passe-bas, ou enπ). Exemple d’un filtre enπ: L1 Signal venant de Vers l’antenne l’amplificateur
50
-0
-50
-100
C1
C2
-150 10Hz 100Hz 1.0KHz 10KHz 100KHz 1.0MHz 10MHz DB(V(SORTIE)/V(ENTREE)) Frequency Sur le diagramme de Bode suivant, on peut voir l’effet de ce filtre passe-bas.
100MHz
1.0GHz
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h)Modulateur de fréquences SSB de phase Pour avoir un signal BLU, il faut trois étages : -un générateur de porteuse -un modulateur équilibré -un filtre à quartz Legénérateur deIl comporte un oscillateur délivrant une fréquence fixe. Selon que l’on émets en porteusebande latérale supérieur (BLS) ou en bande latérale inférieure (BLI), il faut générer deux fréquences, que l’on commute selon la bande latérale que l’on souhaite conserver. Le modulateurSon rôle est de supprimer la porteuse, et d’obtenir les deux bandes latérales. équilibréIl reçoit : -La porteuse de fréquence F -Le signal BF de fréquence f Il donne en sortie : -Un signal de fréquence F + f -Un signal de fréquence F – f On a donc bien les deux raies latérales.
Le filtre à quartz
Signal BF, f
Signal HF, F
Modulateur équilibré
F + f F - f
Le filtre à quartz supprimer l’une des bandes latérales : A A BLS supprimée BLI supprimée
BLI BLS ff 4.Caractéristique des émetteurs a)Stabilité de fréquence La stabilité en fréquence est la faculté que possède un émetteur à générer un signal ayant une fréquence stable au cours du temps. En effet, le spectre radioélectrique est très densément occupé, c’est pourquoi un émetteur ne devra pas émettre sur des fréquences adjacentes à celle à laquelle il est initialement prévu. Lors de la réalisation d’un émetteur, il conviendra de soigner les blindages, et la qualité du filtrage, afin de se prémunir contre les désagréments fréquentielles. b)Largeur de bande HF Un signal modulé en fréquence, occupe une certaine place dans le domaine fréquentielle, on parlera de largeur de bande, soit : F1 F2f
F L’oreille peut entendre des sons ayant une fréquence comprise entre 20Hz et 20Khz, cependant, en radio on peut se limiter à un spectre allant de 300Hz à 3Khz (soit 2700Hz de bande passante). Pour une émission BLU, la largeur de la bande passante occupé sera ainsi de 2700Hz. En FM, cette largeur de bande dépend de la valeur de l’excursion en fréquence (que l’on noteF). Pour les bandes supérieures à 29,7 MHz, la réglementation impose une excursion en fréquence de±7,5KHz. Ainsi, comme la fréquence maximum BF transmise sera de 3KHz (ce qui correspond à la fréquence maximum du signal BF, que l’on considère en radiocommunication).
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La largeur de bande sera 2.(F+f), soit 2(7,5 + 3) = 21KHz. Il est donc capital de limiter la valeur de l’excursion en fréquenceF, afin de ne pas se retrouver sur une fréquence adjacente. c)Bandes latérales d)Bande de fréquence acoustique Un son est caractérisé par trois paramètres : Le timbreC’est une grandeur qui dépend de la richesse harmonique. La hauteurC’est une grandeur qui permet de distinguer un son grave d’un son aigu. Elle dépend de la fréquence de la vibration sonore. L’intensitéC’est une grandeur qui permet d’évaluer la puissance d’un son (son à peine perceptible, à son très fort). Lorsque l’on écoute un son, l’oreille ne va pas réagir pareil selon la fréquence de ce son. L’oreille humaine perçoit les sons ayant une fréquence de 100Hz au minimum (20Hz pour les puristes…). La fréquence maximale perçue par l’oreille se situe aux alentours de 20KHz. Ainsi l’oreille à une bande passante d’environ 20KHz. La sensation sonore ne croit pas linéairement : ainsi lorsque l’on double l’intensité d’un son, la sensation sonore n’en ai pas doublée pour autant… La loi de Fechner nous dit que la sensation sonore croit comme le logarithme de la puissance acoustique. I1   Ainsiy=10.log DB I 0-12 I0= 10 W/m² qui est la plus petite puissance que peut percevoir notre oreille (soit 0dB). Si un son a une puissance 100 fois supérieure à une autre, il ne nous paraîtra que 20 fois plus intense pour notre oreille ! Voyons quelques valeurs intéressantes : Intensité sonore, en dB Situation0 Silence d’audibilité à 100Hz 40dB Conversation courante 100dB Marteau piqueur 140dB Fusée au décollage Seuil de douleur à 1000Hz e)Non linéarité Mathématiquement, si un système est linéaire, on vérifie quef(a)+f(b)=f(a+b) . f)Impédance de sortie L’amplificateur HF se comporte comme un générateur de signal alternatif, il est ainsi possible de le modéliser par un générateur de tension u(t), en série avec une résistance R (en réalité, il s’agit d’une impédance complexe, mais ne compliquons pas les choses !) :
u(t)
~
RI
v(t)
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Modélisons l’antenne, par une résistance R :
u(t)
~
RI
R
v(t)
On sait que dans un circuit série, le courant dans le circuit est identique en tous points. On en abouti donc à l’expression : R v(t)=u(t). R+R I On montre que le transfert de puissance dans la résistance R est maximale, lorsque R = RI. La valeur de R pour laquelle se transfert de puissance est maximum est l’impédance de sortie de l’émetteur : elle est usuellement de 50pour les émetteurs radioélectriques. g)Puissance de sortie Lorsque l’on considère des signaux continus, la puissance était définie comme le produit de la tension par le U² courant, soitP=U.I=. CC R 2 U EFF Pour des signaux alternatif, on recourait aux valeurs efficaces, soitP=U.I=. Nous allons AC EFF EFF R appliquer cette définition à diverses modulations. Considérons la modulation de fréquence, et la télégraphie : L’amplitude reste constante, donc on va considérer cette amplitude maximum, ce qui va nous permettre d’en U U² C C déduite la valeur efficace, soitU=, ainsi la puissance émise sera donné parP=. EFF 2.R 2 Exemple : On a un émetteur qui délivre 4W sur une antenne (se comportant comme une résistance pure de 50). U² C La tension crête sera : P= ⇔U=2.R.P , soit U=2.50.4=40020V . C C 2.R Considérons une modulation d’amplitude (AM ou BLU) : Cette fois-ci, l’amplitude est variable… Nous allons donc considérer la plus grande amplitude, et l’on parlera U² C alors de puissance crête. Ainsi, la puissance crête sera définie par :P=. CRETE 2.R Rappel :De 144 à 146Mhz, la puissance crête est limité à 10W pour lesnovices. h)Rendement En physique, le rendement est par définition le quotient de ce que l’on gagne sur ce que l’on fournit pour le gagner… Ainsi, pour disposer d’une puissance HF donnée, il faut fournir une puissance électrique à l’amplificateur. Ainsi, on a : P HF η=P ELECTRIQUE Rappelons que le rendement est un quotient de deux grandeurs ayant la même unité : le résultat sera donc un nombre sans unité.
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xxx
i)
Déviation de fréquence