Nouvelle page 1

Introduction

Comment établir une communication radio, la plus simple possible, entre deux postes et comment se déroule-t-elle au niveau de l'émetteur et du récepteur ? Telles seront les questions auxquelles nous tenterons de répondre.

Nous partirons du principe de fonctionnement de l'appareillage nécessaire à cette communication pour ensuite aboutir à l'une ou l'autre réalisation pratique. Nous aborderons le fonctionnement d'une transmission radio en partant de l'émetteur, en passant par l'antenne et l'environnement spatial pour ensuite en arriver au récepteur, tout cela dans le cas le plus simple. Nous nous placerons dans une situation dans laquelle la liaison radio se déroulera dans un espace sans perturbation (interférences, influences géophysiques, etc..) et sans obstacles physiques apparents (dans le vide).
Ensuite, nous aborderons quelques phénomènes physiques ayant une certaine influence sur les ondes, des applications de la radio, des actualisations dues à l'essor technologique et pour couronner le tout, un historique de la radio.

Qu'est-ce qu'une onde électromagnétique ?

Les ondes électromagnétiques sont des mouvements ondulatoires de forme sinusoïdale produits par un oscillateur. Ces mouvements sont semblables aux ondes acoustiques ou aux oscillations harmoniques (vagues) produites à la surface de l'eau lorsque que qu'une personne y jette un objet (une pierre). Cependant, les ondes électromagnétiques sont d'une nature et de propriétés totalement différentes de ces dernières. Leur vitesse de propagation est bien plus élevée (300'000 km/s) et elles se propagent en ligne droite dans toute les directions possibles.
Dans la gamme des ondes électroniques se trouvent les rayons lumineux que nos sens permettent de percevoir, mais aussi bien d'autres rayonnements différents et invisibles à l'oeil humain. Nous classons d'une part les rayons à effets biologiques tels que les ultraviolets (U.V.) et rayons atomiques (rayons X, alpha, bêta, gamma, etc..), et d'autres par les rayons non nocifs sur les êtres vivants tels que les infrarouges (I.R.) et les ondes radios. On les désigne soit par leur fréquence (en Hertz), soit par leur longueur d'onde (en mètre). Les scientifiques répertorient tous les rayonnements électriques dans le spectre électromagnétique.

Aussi, ces ondes obéissent aux principales lois physiques de la réfraction, des interférences et de la réflexion. En plus, leur diffraction augmente ave leur longueur d'onde, ce qui leur permet de mieux contourner des obstacles.

Lors de cet exposé, nous aborderons plus essentiellement l'approche des ondes radios. Sur le fameux spectre électromagnétique, on les situe entre 0.03 Mhz et 300 Ghz ou d'une longueur d'onde variant de 10 km à 1 mm. On peut y distinguer:

Bande	Fréquences (Mhz)	Longueurs d'onde (m)
Ondes longues (LW ou GO)	0,03 à 0,3	10'000 à 1000
Ondes moyennes (MW ou PO)	0,3 à 30	1000 à 100
Ondes courtes (SW ou OC)	3 à 30	100 à 10
Très haute fréquences (VHF)	30 à 300	10 à 1
Ultra hautes fréquences (UHF)	300 à 3000	1 à 0,1
Super hautes fréquences (SHF)	3000 à 30'000	0,1 à 0,01
Extra hautes fréquences (EHF)	30'000 à 300'000	0,01 à 0,001

Les LW, MW, SW et VHF sont utilisées notamment pour la radiodiffusion. La télévision, quand à elle, se situe plus vers les VHF et UHF. Les UHF et SHF sont aussi utilisées pour les radars. Ces ondes ont presque toutes comme particularité de passer à travers les obstacles (limitons nous aux murs), ce qui les différencies des rayons lumineux. Mais il faut savoir que cette particularité diminue en fonction de l'accroissement de la fréquence, donc de la diminution de la longueur d'onde.

L'émetteur

L'émetteur est un dispositif servant à émettre des ondes sur une fréquence donnée. Il doit être capable d'associer un signal électrique sur une onde (porteuse). Grâce à quelques composants électronique et son antenne, il es ainsi capable d'émettre des ondes électromagnétiques. Au début, il s'agissait d'un simple oscillateur qui envoyait des ondes pour la télégraphie; on lui a ensuite ajouté le son, l'image et enfin des applications numériques. Au cours de ce chapitre, nous n'aborderons que les deux premières applications et tenterons d'établir un schéma électronique de principe d'un émetteur.

La télégraphie sans fil

Principe et les ondes amorties
L'émetteur, alimenté par une source d'énergie (électricité), transforme en partie cette énergie en oscillations dans l'antenne "A". Ainsi, celles-ci provoquent la naissance d'ondes électromagnétiques se propageant dans l'espace. L'énergie du rayonnement ainsi créée peut être en partie captée par l'antenne "a" du récepteur. On appelle ce phénomène << induction à grande distance >>.

figure 1

La télégraphie par onde amortie est le premier stade des émissions radio. La décharge brusque du condensateur d'un circuit oscillant B crée un courant alternatif dont l'amplitude décroît très rapidement. La durée totale de toutes les oscillations d'une étincelle est très courte vis-à-vis du temps qui s'écoule entre deux étincelles consécutives. Les appareils utilisant les ondes amorties ont leur tonalité sonore. L'oreille humaine peut percevoir distinctement les étincelles dont la fréquence est inférieure à 20'000 Mhz.
Selon le schéma (figure 1), pour produire des oscillations, on se sert d'un condensateur composé de deux boules métalliques forment ainsi l'éclateur E. Une antenne A (soit un long bout de fil ou tige en métal) est reliée à une des deux boules du condensateur. Au niveau de la réception, une autre antenne pour capter les ondes. Cependant, elle doit être en accord avec l'antenne d'émission A, c'est à dire être en résonance avec elle.

Détecteurs d'onde
Les détecteurs servent à transformer l'énergie électrique reçue par l'antenne afin de rendre perceptibles à nos oreilles les ondes électromagnétiques.

Il y a plusieurs types de détecteurs.

Le plus ancien est celui de Hertz, plus connu sous le nom de résonateur de Hertz. Ce résonateur est un fil de cuivre pourvu d'une coupure dont la largeur se règle au moyen d'une vis. Après quelques réglages, Hertz, en se promenant autour d'un émetteur (excitateur), remarqua l'émission d'étincelles plus ou moins fortes selon l'endroit qu'il occupait.
Onesti avait également observé que des limailles de fer placées entre deux électrodes pouvaient présenter une résistance très importante. Aussi, il avait découvert que l'orsque l'on faisait passer dans cette limaille la décharge d'une bobine d'induction, cette résistance diminuait fortement.

Un peu plus tard, Branly utilisa cette propriété et découvrit que le changement de conductivité des tubes à limaille s'opérait aussi quand la décharge de la bobine s'effectuait à l'extérieur de ceux-ci. Ces tubes sont appelés radioconducteurs, et ensuite on pris le nom de cohéreurs.
Deux autres types de détecteurs sont le détecteur électrolytique et le détecteur à galène (figure 2), basés sur les phénomènes de conductivité unilatérale de certains corps. Cela leur permet de jouer le rôle de redresseur de courant alternatif. Aujourd'hui, nous parlerons de diode. (cf. Lampe diode)

figure 2

Ondes entretenues
Dès 1905, l'effort des spécialistes se porta sur la réalisation d'ondes continues, surtout pour améliorer la syntonie. Autrefois, en effet, un poste récepteur déterminé était influencé pat les ondes émises par un grand nombre de postes. La réception était brouillée et la T.S.F. n'aurait jamais pu devenir une invention pratique si l'on n'avait pas trouvé le moyen de permettre à un poste de ne recevoir que les signaux qui lui sont destinés. Avec les ondes entretenues, le détecteur ne peut être influencé que grâce à un accord précis. Cet accord est déterminé par un circuit LC (figure 3). L2 et L4 sont des selfs dont A et B sont une partie variable, et C (C1) le condensateur.
Les ondes entretenues ont permis également l'emploi de dispositifs récepteurs (hétérodyne, autodyne) qui accroissent la sensibilité de la réception. Enfin. à puissance égale, l'amplitude constante des oscillations entretenues est beaucoup plus petite que l'amplitude maximale des ondes amorties: d'où diminution des tensions dans l'antenne et plus grande facilité d'isolement. Enfin, l'emploi d'ondes entretenues permet l'émission sur une bande de fréquence minimum. D'où possibilité de faire sans crainte de brouillage un maximum d'émissions.

figure 3

Production - Arcs oscillants et alternateurs HF
Pendant de longues années, l'arc oscillant a permis d'obtenir pratiquement des ondes entretenues, en convertissant le courant continu qui l'alimentait en courant alternatif de haute fréquence (arc de Poulsen). Puis des techniciens cherchèrent à produire le courant de haute fréquence par les alternateurs qui servent à créer les courants alternatifs industriels, mais pour atteindre le fréquence nécessaire, il fallut adopter des vitesses considérables et des nombres de pôles très élevés. Dans ces alternateurs, les enroulements de l'induit et de l'inducteur restent également immobilisés. La variation de flux est produite par la rotation d'un fer tournant dont la vitesse peut être sans inconvénient très élevée.

Lampe diode
L'invention des lampes ioniques a bouleversé la T.S.F. en rendant possible la modulation, la réception, l'amplification, la production d'ondes entretenues de toute longueur.

En 1907, Lee de Forest avait inventé les audions. Leur usage se développa en 1914. Dans une lampe à incandescence (figure 4), une petite plaque de métal est scellée. Réunissons la plaque au pôle positif d'une batterie de piles ou d'accumulateurs (60 à 80 volts). Le filament étant chauffé à l'incandescence au moyen d'une autre batterie, réunissons les pôles négatifs des deux batteries en intercalant dans le circuit un milliampèremètre sensible; l'appareil accuse le passge d'un courant dans le sens plaque-filament à l'intérieur de la lampe (courant dû à la suite d'électrons s'élançant du filament incandescent vers la plaque). Ce transport d'électrons ne peut avoir lieu que si la plaque est à une différence de potentiel (DDP) positive par rapport au filament. La lampe ainsi constituée joue le rôle de la valve, ne laissant passer le courant que dans un sens. Si on l'utilise comme détecteur et si on la réunit à un circuit parcouru par des courants alternatifs, le courant ne circule que lorsque la plaque est positive par rapport au filament. Cette lampe s'appelle une diode quand elle est utilisée comme détectrice de courants de fréquence élevée, et une valve quand elle sert à redresser des courants industriels. C'est en 1904 que J.A. Fleming utilisa la diode au redressement des courants alternatifs.
En élevant la tension positive appliquée à la plaque, le courant croît d'abord régulièrement, puis très lentement et enfin reste constant: il y a saturation. Ce courant de saturation dépend du courant de chauffage du filament: il croît très vite en même temps que lui.

figure 4

La triode
Lee de Forest chercha à agir sur le courant de plaque par un organe extérieur. Il ajouta une électrode supplémentaire nommée grille. Elle est formée soit d'un grillage, soit d'une spirale placée entre le filament et la plaque (figure 5), donc sur le trajet des électrons. Sa différence de potentiel est variable. Nous avons ainsi trois circuits; le circuit plaque, le circuit grille, le circuit filament, ayant comme point commun une des extrémités du filament. Si la grille est négative, le débit des électrons allant sur la plaque est diminué; le courant de plaque est ainsi réduit. Si elle est positive, son action s'ajoute à celle de l'anode et augmente le courant. Ainsi elle permet de régler le débit de la plaque.

figure 5

Emploi d'une lampe comme oscillateur
Si un ébranlement électrique vient frapper un circuit oscillant situé, par exemple dans le circuit plaque, ce dernier oscille et ses oscillations s'amortissent. Si à l'aide d'un couplage convenable l'on fait régler par ces variations de courant le potentiel de la grille de lampe triode, cette grille ouvre et ferme périodiquement le circuit de plaque qui sera soumis à des ébranlements périodiques que maintient son état de vibration. Par ce procédé ou par tout autre analogue, on obtiendra des oscillations entretenues dont la fréquence sera celle du circuit oscillant. Il est à remarquer que l'énergie nécessaire pour maintenir le système en état d'oscillation est empruntée aux sources d'alimentation.

figure 6

Antenne émettrice
Si on remplace le circuit oscillant, qui est un circuit fermé, par un circuit ouvert appelé antenne et dont la propriété essentielle est de rayonner, on aura dans l'espace une émission d'ondes radio-électriques qui pourront être captée par un récepteur.

D'une façon générale, l'antenne est un conducteur ou un ensemble de conducteurs métalliques peu résistants, isolés, à une extrémité, reliés à l'appareil émetteur à l'autre extrémité, tendus à une hauteur plus ou moins grande au-dessus du sol.

La distance de transmission dépend de la longueur d'onde et de la puissance mise en jeu.

Les postes de T.S.F. sont en général appelés à émettre avec plusieurs longueurs d'ondes différentes. Il faut donc modifier les dimensions électriques de l'antenne pour obtenir la longueur d'onde voulue.

Pour augmenter la longueur d'onde d'une antenne, on ajoute à la base (entre l'antenne et la terre) une self-induction. Pour diminuer la longueur d'onde d'une antenne, on intercale à la base un condensateur. Il existe de nombreuses formes d'antenne. Les plus utilisées sont les antennes multiples.

La téléphonie sans fil
Tout comme la téléphonie classique, le but de la radio téléphonie est de transmettre des signaux sonores, mais ici par le biais des ondes électromagnétiques. Le signal acoustique, comme abordé plus haut, est une vibration qui se transmet de proche en proche d'une colonne d'air à une autre.

Cette vibration doit être transmise à un microphone pour être ensuite convertie en un courant électrique variable continu. De là, à travers divers circuits, ce signal sera couplé à l'onde radio. A la réception, le signal sera reconverti le plus fidèlement possible en un son par le haut-parleur. Cependant, on ne peut joindre un signal sonore directement à la porteuse; la bande de fréquences acoustique (20 à 20'000 Hz) ou base fréquence (HF). En effet, l'oreille humaine est incapable de percevoir un signal d'une telle fréquence. C'est pourquoi des chercheurs ont dû trouver des techniques pour pouvoir coupler le son (BF) à sa porteuse (HF). On les appelle procédés de modulation du son.

Depuis l'invention de la triode et aujourd'hui du transistor, on peut opérer assez facilement cette modulation.

Modulation
Pour transmette du son, l'onde porteuse doit être modulée au rythme du signal électrique sonore pour le porter.

Ensuite, le récepteur se chargera de filtrer le signal électrique BF de l'onde porteuse.

Actuellement, il existe trois principaux types de modulations de l'onde porteuse ; la modulation de fréquence (FM), la modulation d'amplitude (AM) et la modulation de phase.

Nous n'en étudierons que les deux premiers types.

Emetteur AM : théorie

a) Graphique:

f(x) = (1 + m sin Wmt) sin Wct

Wc = fréquence porteuse (HF)
m = taux de modulation
Wm = fréquence modulante (BF)

THF	Période de la porteuse
UHF	Valeur crête à creux de la porteuse; c'est la valeur de la porteuse non modulée.
TBF	Période du signal BF
UaF	Valeur crête à creux du signal modulant (l'enveloppe du signal modulé correspond à la forme, à l'amplitude et à la fréquence du signal modulant).
UHFmax	Valeur crête à creux maximale du signal modulé.
UHFmin	Valeur crête à creux minimale du signal modulé.

L'occupation de fréquence ou bande passante de la AM est de 9 Khz, soit deux bandes latérales de 4,5 Khz.
A fin de diminuer la bande passante, il faut diminuer la fréquence de modulation maximale (4000 Hz en LW et MW), ce qui explique la moins bonne qualité des transmissions A.M.

Le spectre sonore est en effet réduit à 4000 Hz maximum contre 20'000 Hz en temps normal.

La deuxième technique consiste à ne transmettre le signal que sur une bande latérale au détriment de la robustesse de transmission. Ici, le rapport signal/bruit déterminera la qualité de la transmission (SSB).

L'énergie est principalement contenue dans l'onde porteuse. L'amplitude f(x) des raies latérales est proportionnelle à l'amplitude du signal modulant d'origine. L'énergie de celui-ci est répartie de manière égale dans les deux bandes latérales.

b) En résumé:

1 - La modulation de l'amplitude consiste à varier l'amplitude de la porteuse HF au rythme de la modulation BF.

2 - Ceci se traduit par deux bandes latérales: l'inférieure (BLI) et la supérieure (BLS) par rapport à la porteuse. Ceci est dû grâce au phénomène d'addition soustraction des deux fréquences HF et BF.

3 - L'énergie est répartie également entre la BLS et la BLI.

4 - L'information contenue est présente symétriquement dans la BLI et la BLS.

Sur les récepteurs modernes, les bandes latérales SSB sont souvent appelées :
USB pour la bande supérieure et LSB pour la bande inférieure.

Schéma de principe d'un émetteur AM

a) Schéma général

figure 8

Ci-dessus (figure 8), nous avons le modèle d'un émetteur AM évolué. On y trouve en premier lieu le circuit VFO (il s'agit d'un oscillateur permettant de changer la fréquence).

Ce circuit est mélangé (Mélangeur) avec un oscillateur à fréquence fixe à quartz. La résultante des fréquences du VFO et du quartz (soit leur somme ou leur différence) est filtrée puis amplifiée.

Le dernier étage du poste d'amplificateur est appelé P.A. ou "Power Amplifier". Ici, nous pouvons envoyer une onde porteuse.

Le modulateur intervient à ce niveau; il va traiter le signal du microphone, l'amplifier et va attaquer le P.A.

b) Explication plus détaillée du P.A.

figure 9

Le transistor reçoit deux signaux différents:
- Le signal HF venant de l'oscillateur
- Le signal BF venant de l'amplificateur du micro

Les couplages sont réalisés par des transformateurs. La partie BF (entrée audio) est couplée au circuit collecteur en série avec l'alimentation Vcc.

Quand aucun son n'est émis, le transistor amplifie normalement la HF. Un seul signal est présent. Par contre, si vous donnez une vibration sonore celle-ci est convertie en un signal électrique continu, il sera alors amplifié et envoyé sur le collecteur du transistor.

Ce nouveau signal est un courant alternatif qui va soit se soustraire ou, soit s'ajouter à la différence de potentiel du collecteur. Celui-ci force la HF à varier au rythme de la modulation.

Emetteur FM - Théorie
La A.M. a eu jadis ses heures de gloire, mais, aujourd'hui c'est le tour de la FM. En FM ou modulation de fréquence, nous allons moduler la fréquence de l'onde au rxthme du son.

a) Définitions pré-requises

-	Si nous appliquons un signal sinusoïdal modulant à un signal HF, nous constaterons que la fréquence de l'onde porteuse augmentera durant une alternance du signal modulant et diminuera durant l'autre alternance.
-	La variation de fréquence est proportionnelle à l'amplitude instantanée du signal modulant BF.
-	L'indice de modulation est le rapport entre la variation maximum de la fréquence porteuse et la fréquence modulante BF; Wc / Wm

b) Graphique

f(x) = cos (Wct + m sin Wmt)

Wc = fréquence porteuse (HF)
Wm = fréquence modulante (BF)
m = indice de modulation = Wc/Wm

c) L'indice m

La bande passante de la FM, contrairement à la AM est bien plus grande (parfois 0,5 Mhz) et n'est pas fixe. C'est pourquoi on lui réservera des gammes en VHF qui sont bien moins encombrées qu'en LW et MW.

La FM est aussi bien meilleure pour sa qualité sonore: une onde porteuse FM peut accepter un spectre audio jusqu'à 15'000 Hz. Ce qui explique le son plus dynamique et fidèle.

Aussi, la FM a l'énorme avantage de ne pas être influencée par les perturbations électromagnétique affectant l'amplitude de l'onde porteuse.

d) En résumé


-	La FM consiste à faire varier la fréquence de l'onde porteuse au rythme de la modulation BF.

-	Cela se traduit par la présence de deux bandes latérales supérieures et inférieures par rapport à la fréquence porteuse.

-	Le déplacement de fréquence est proportionnel à l'amplitude du signal modulant.

Pratique: Schéma de principe d'un émetteur FM

a) Schéma général

figure 11

Partons du microphone dont le signal sera amplifié par le modulateur (jusqu'ici c'est comme pour l' AM).

Utilisons un oscillateur à quartz oscillant par exemple à 2000 Khz. Ajoutons-y une capacité variable ou diode varicap dont sa capacité varie en fonction de la tension appliquée aux bornes.

Cette capacité est reliée à l'ampli BF. Dès qu'un son sera émis via le micro, une tension alternative sera appliquée à ses bornes. Il se produira comme effet la variation de la capacité de la diode et ainsi de changer au rythme de la modulation la fréquence de l'oscillateur (n'oublions pas que la capacité est partie intégrante à l'oscillateur). Sans aucune modulation, nous aurons une fréquence de 2000 Khz.

Après cette étape, le signal HF modulé en fréquence doit être multiplié pour augmenter la fréquence de la porteuse. Pour ce faire, ce signal passera dans un circuit composé de plusieurs étages de transistors qui, polarisés pour amplifier non linéairement, produisent un certain nombre de signaux harmoniques.

L'harmonique désirée sera récupérée par un circuit accordé sur le collecteur. Posons le facteur multiplicateur de 50, nous obtiendrons donc une onde porteuse dont sa fréquence sera égale à 100'000 Hz = 100 Mhz.

Maintenant, il suffit d'amplifier le signal pour obtenir un niveau convenable dans le PA.

Le récepteur

Le récepteur est un dispositif servant à recevoir les ondes radios et à les convertir en son, ou plus généralement à séparer le signal électrique BF de l'onde porteuse. Ce signal électrique est soit du son, des informations numériques ou autres.

D'ici quelques années (bon nombre d'émetteur analogique ont déjà disparu) toutes les informations portées publiques seront numériques.

A suivre.....