- La radio transmet des signaux en utilisant un champ électrique alternatif créé par des charges qui font rapidement l’aller-retour, et l’antenne de réception les capte en se voyant induire un courant à la même fréquence
- Une bonne antenne n’est pas une simple tige métallique, mais une structure résonante qui exploite la longueur d’onde et les réflexions ; un dipôle demi-onde peut laisser circuler un fort courant alternatif grâce à sa faible impédance d’entrée
- AM, FM, PM et QAM transportent l’information en modifiant les caractéristiques de la porteuse, mais si la modulation est trop rapide, le signal s’effondre, et l’AM occupe elle aussi de la bande passante
- Le récepteur multiplie le signal de l’antenne par une sinusoïde choisie pour produire des composantes à la fréquence de différence, puis sélectionne uniquement le signal voulu à l’aide de filtres
- Un récepteur superhétérodyne translate le signal souhaité vers une fréquence intermédiaire (FI) fixe pour le filtrer, ce qui rend plus facile à traiter le problème des images symétriques au-dessus et au-dessous issu du mélange direct
L’antenne crée des ondes électromagnétiques par le va-et-vient des charges
- La communication radio est largement utilisée dans les appareils électroniques modernes, mais à l’échelle amateur, il peut être difficile d’expliquer ce qui fait une bonne antenne ou pourquoi un récepteur ne sélectionne qu’une fréquence précise
- On peut comprendre intuitivement une antenne en imaginant un condensateur ouvert
- Le champ électrique entre les deux plaques d’un condensateur s’étend dans l’espace alentour
- Un champ électrique statique ne transmet pas d’information, et la majeure partie de l’énergie stockée peut être récupérée en reliant les plaques pour rééquilibrer les charges
- Si l’on fait aller et venir rapidement les charges entre les deux plaques, un motif de champ électrique alternatif se propage vers l’extérieur à la vitesse de la lumière
- Plus la quantité de charge déplacée est grande, plus chaque onde est intense
- Plus le nombre d’alternances par seconde, c’est-à-dire la fréquence du signal, est élevé, plus l’énergie rayonnée augmente
- Une forme d’onde parfaitement uniforme ne suffit pas à la communication ; on peut y inscrire de l’information en faisant légèrement varier au fil du temps certaines caractéristiques, comme l’amplitude
- Des émissions simultanées à des fréquences différentes peuvent être distinguées côté réception, ce qui mène aux principes de mélange et de filtrage décrits plus loin
Pourquoi le dipôle demi-onde fonctionne réellement
- En pratique, relier un condensateur ouvert à une source de tension n’a guère d’effet important
- Si l’on éloigne beaucoup les plaques, la capacité chute fortement et l’ensemble se rapproche d’un circuit ouvert
- Il faut une tension élevée pour créer un aller-retour suffisant des électrons
- Sans courant convenable, l’énergie des ondes rayonnées reste faible
- Une antenne dipôle demi-onde se compose de deux tiges placées sur le même axe et alimentées au centre par une sinusoïde
- Chaque tige mesure exactement 1/4 de longueur d’onde
- La formule de conversion est
λ = c / f - Par exemple, si
f = 200 MHz, alorsλvaut environ 1,5 m, soit environ 5 pieds
- Dans un dipôle demi-onde, le retard de propagation du signal et la réflexion aux extrémités du conducteur se combinent pour créer une résonance
- Quand le pic du signal d’excitation atteint l’extrémité de chaque tige
λ/4, il interfère de manière constructive avec la réflexion du pic précédent - Le motif d’interférence de tension est renforcé aux extrémités des tiges et s’annule près du point d’alimentation
- Grâce à cette structure, il est plus facile d’alimenter un fort courant alternatif, et l’antenne présente une impédance électrique étonnamment faible
- Quand le pic du signal d’excitation atteint l’extrémité de chaque tige
- Les dipôles de longueur égale à un multiple impair de la demi-onde, comme
3/2 λou5/2 λ, présentent eux aussi un comportement résonant- Des résonances similaires existent aussi pour les multiples pairs comme
1 λou2 λ, mais la position des ondes stationnaires y gêne davantage l’excitation qu’elle ne l’aide - D’autres longueurs peuvent être suffisamment proches pour fonctionner sans être en résonance parfaite
- Des résonances similaires existent aussi pour les multiples pairs comme
- On peut améliorer une antenne trop courte avec une inductance en série
- L’inductance ajoute un retard au courant
- Une section en forme de ressort à la base de l’antenne correspond à une extension de longueur électrique
- Cela ne rend pas une antenne courte aussi bonne qu’une antenne de taille réelle, mais aide à maîtriser l’impédance d’entrée
Antenne de réception et directivité
- Le champ électrique réel autour d’une antenne émettrice présente des zones mortes dans l’axe de l’antenne
- Dans cet axe, le champ électrique s’annule par interférence destructive
- Si l’on place à distance du transmetteur une antenne de réception identique, le dipôle récepteur se voit induire un courant par le motif de champ électrique alternatif
- Une région attire les électrons vers la plaque supérieure, une autre les repousse vers la plaque inférieure
- L’antenne subit un courant d’aller-retour entre ses deux pôles à la fréquence de fonctionnement de l’émetteur
- Si la longueur de l’antenne réceptrice est appropriée, le courant induit peut lui aussi bénéficier d’interférences constructives, ce qui conduit à une amplitude de signal plus élevée
- Les dipôles plus longs qu’une demi-onde deviennent davantage directifs
- S’ils sont légèrement inclinés, leurs deux extrémités peuvent se retrouver exposées à des champs électriques opposés
- Dans ce cas, le courant net peut devenir faible ou nul
- Toutes les antennes ne sont pas des dipôles, mais beaucoup fonctionnent sur des principes similaires
- Le monopôle est une variante où une moitié de l’antenne est remplacée par une connexion à la masse
- Des formes plus complexes servent à conserver la résonance sur plusieurs fréquences ou à ajuster finement la directivité
- Les réseaux d’antennes exploitent, via des signaux de commande numériques, des motifs d’interférences constructives et destructives pour focaliser souplement l’énergie vers des points précis
La modulation déplace l’information dans une bande autour de la fréquence
- Les modes de modulation les plus représentatifs sont AM et FM
- L’AM modifie l’amplitude de la porteuse pour y transporter l’information
- La FM déplace la fréquence de la porteuse vers le haut et vers le bas
- Parmi les méthodes plus avancées, on trouve PM et QAM
- La PM est une modulation de phase
- La QAM transmet l’information de façon robuste grâce à l’amplitude relative de deux signaux déphasés de 90°
- Une fois la porteuse séparée, la démodulation elle-même est relativement facile à comprendre
- En AM, on peut aussi amplifier la sinusoïde, la redresser avec une diode, puis appliquer un filtre passe-bas pour récupérer l’enveloppe audio
- La FM et la PM s’appuient sur des phase-locked loops pour détecter les variations
- Une contrainte importante de la modulation est que le taux de variation du signal de porteuse doit rester bien inférieur à la fréquence de la porteuse
- Si la modulation est trop rapide, elle détruit la porteuse et la transforme en quelque chose qui ressemble à un bruit large bande
- Les antennes résonantes et les circuits d’accord radio traditionnels fonctionnent justement parce que presque rien ne change d’un cycle à l’autre
- Contrairement à l’intuition, toute modulation occupe de la bande passante
- Même l’AM n’est pas une astuce sans bande passante où l’on ne ferait que changer l’amplitude d’une sinusoïde à fréquence fixe
- Toute variation qui s’écarte d’une sinusoïde parfaite crée des composantes transitoires dans le domaine fréquentiel
- Plus le taux de variation est élevé, plus l’ampleur de ces composantes augmente
- Dans une capture d’une station AM locale, on voit des composantes de modulation audio s’étendre sur plusieurs kHz de part et d’autre de la porteuse
- Vue largement, la modulation consiste à déplacer une bande de signaux basse fréquence, comme l’audio, vers un fragment de spectre de taille comparable autour d’une fréquence centrale choisie
- Les méthodes diffèrent dans leur mise en œuvre, mais au final elles utilisent toutes une bande de fréquences
Le récepteur multiplie les signaux pour créer une fréquence de différence
- Le principe de base de presque tous les récepteurs radio consiste à mélanger, c’est-à-dire multiplier, le signal amplifié de l’antenne par une sinusoïde à la fréquence choisie
- Si le signal d’entrée contient une composante à cette même fréquence, le résultat de la multiplication crée une polarisation DC proportionnelle à l’amplitude de cette composante
- Les autres fréquences d’entrée tendent vers une moyenne proche de zéro sur une échelle de temps suffisamment longue
- Ce processus fonctionne d’une manière très proche des transformations de type Fourier, qui décomposent un signal complexe en composantes fréquentielles individuelles
- Quand on multiplie deux sinusoïdes, on obtient à la fois une composante basse fréquence
|f1 - f2|et une composante haute fréquencef1 + f2- Cela se déduit des formules trigonométriques sur la somme des angles du cosinus
- Un phénomène similaire est aussi connu en musique sous la forme de la fréquence de battement lente produite par deux notes proches jouées simultanément
- Par exemple, la combinaison de 400 Hz et 405 Hz produit un battement de 5 Hz
- L’AM peut aussi s’expliquer sous l’angle de cette multiplication
- En AM, l’amplitude d’un signal à la fréquence porteuse
aest multipliée par une sinusoïde plus lente de fréquenceb - Le résultat est impossible à distinguer de la superposition de deux émissions sinusoïdales symétriques situées à
±bautour dea - L’AM utilise donc elle aussi de la bande passante, comme les autres modes de modulation
- En AM, l’amplitude d’un signal à la fréquence porteuse
Le superhétérodyne repousse le problème des images plus loin
- Pour recevoir des émissions autour de 10 MHz, on peut imaginer une méthode simple consistant à mélanger le signal RF d’entrée avec une sinusoïde de 10 MHz
- Un signal à 10,00 MHz descend en DC
- Un signal à 10,01 MHz produit un battement à 10 kHz et une composante à 20,01 MHz
- Un signal à 10,02 MHz produit des composantes à 20 kHz et 20,02 MHz
- Un filtre passe-bas permet ensuite de ne garder que les basses fréquences liées au mode de modulation et d’éliminer les composantes indésirables
f1 + f2autour de 20 MHz
- Le problème de cette méthode simple vient de la valeur absolue dans la formule
|f1 - f2|- Comme
cos(x)etcos(-x)sont identiques, une émission située sous la fréquence de référence crée une image indiscernable d’une émission située au-dessus - Par exemple, une composante à 9,99 MHz et un signal à 10,01 MHz se retrouvent tous deux à 10 kHz
- Comme
- Un récepteur superhétérodyne mélange l’entrée RF avec une fréquence
finférieure au signal recherché afin de translater celui-ci vers une fréquence intermédiaire (FI) fixe et relativement basse- On peut ensuite sélectionner les composantes pertinentes avec un filtre passe-bande relativement simple
- Cette architecture, conçue vers 1919 par Edwin Armstrong, est appelée superheterodyne
- Le comportement fondamental de miroir reste présent, mais on peut contrôler le point de symétrie
fpour l’éloigner- Il devient plus facile de gérer les images parasites d’émissions sans rapport
- On peut concevoir la réponse en fréquence de l’antenne pour qu’elle soit plus étroite et capte moins les fréquences lointaines dès le départ
- On peut aussi placer un filtre grossier avant le mélangeur
- Ce comportement des récepteurs superhétérodynes peut aussi être pris en compte dans l’allocation du spectre radio
1 commentaires
Avis sur Hacker News
J’aime leur approche, qui consiste à combler le fossé avec des définitions claires, sans s’appuyer sur « l’analogie hydraulique défaillante » ni tomber dans les équations différentielles ou l’algèbre des nombres complexes
Il y a très longtemps, à une époque où Facebook n’existait pas encore et où Google passait pour une « bonne » entreprise, quand côté électronique de loisir il n’y avait quasiment pas d’autre choix que les PIC, j’avais vu en ligne un très long cours d’électronique très abouti, qui partait de zéro et allait des notions de base R/C aux transistors, aux aimants/transformateurs et, de mémoire, jusqu’à des sujets assez avancés comme la radio
Il était constitué de pages HTML rudimentaires et d’images, et ce qui le rendait particulier, c’est qu’il expliquait beaucoup de concepts jusqu’à un niveau réellement applicable à la conception de circuits analogiques, sans calcul différentiel et intégral
Ma mémoire me joue peut-être des tours, mais le style HTML avait un fond jaunâtre, cela semblait provenir d’un ancien cursus de formation en électronique appliquée destiné aux ingénieurs électriciens de l’US Navy, et il me semble que l’accent était davantage mis sur les circuits analogiques
Je l’avais entièrement téléchargé à l’époque, mais je ne sais plus où il se trouve ; il devait être quelque part sur le disque de 1 Go de mon premier PC Pentium, donc il est en pratique perdu. Je me demande si quelqu’un sait de quoi il s’agissait
[1] https://lcamtuf.substack.com/p/primer-core-concepts-in-elect...
Le contenu a été mis à jour en 2011
Si l’analogie hydraulique était parfaite, cela voudrait dire que l’électronique se comporte simplement comme un fluide, et qu’on aurait pu l’enseigner comme une partie de la mécanique des fluides. Mais en réalité, l’électronique ne fait pas partie de la mécanique des fluides ; il n’y a que quelques ressemblances utiles à des fins pédagogiques
Il est courant de commencer par enseigner avec un modèle imparfait et simplifié, puis de compléter plus tard avec les détails qui invalident l’analogie
Le passage expliquant que toutes les méthodes de modulation d’une onde peuvent être réinterprétées comme de la modulation de fréquence m’a aussi marqué
La radio analogique (AM, FM, etc.) consiste à moduler faiblement une énorme porteuse avec le signal. La télévision analogique, qui utilisait de l’image en AM et du son en FM, consacrait 80 % de sa puissance à la porteuse, et les stations TV analogiques UHF utilisaient souvent des émetteurs de plusieurs mégawatts pour écraser le bruit par une pure puissance radio
Les émetteurs de télévision numérique diffusée sortent environ 150 kW grâce à une meilleure efficacité de modulation. Les techniques de modulation modernes sont incroyablement efficaces, au point qu’il est étonnant que les téléphones mobiles fonctionnent
[1] https://ocw.mit.edu/courses/6-450-principles-of-digital-comm...
S’il a obtenu un doctorat, c’est finalement parce qu’il lui a fallu tout ce temps pour avoir le sentiment de comprendre correctement sa radio ; et même après cela, il lui arrivait encore de ne pas en être certain. Cet article m’a rappelé ce discours
https://www.youtube.com/watch?v=LMxate9gegg
L’ionosphère comporte plusieurs couches et varie de manière assez dynamique en fonction du Soleil et de l’activité solaire. On peut l’imaginer comme une enveloppe chargée autour de la Terre qui renvoie les ondes électromagnétiques, et dont les propriétés ondulent en permanence
Les tempêtes solaires et les aurores qui en résultent sont une mauvaise nouvelle pour les communications radio. C’est une explication très simplifiée
En HF, ce n’est clairement pas une bonne chose. Ces derniers jours, grâce au Soleil qui s’est déchaîné, j’ai au moins eu l’occasion de faire autre chose le soir au lieu de jouer avec FT8
Quand j’ai lancé la vidéo Vimeo de propagation du champ électrique d’une antenne dipôle ½ λ, j’ai cherché mon casque en me demandant si j’allais entendre Dark Side of the Moon, mais cela n’est pas arrivé
Je comprends les antennes et leurs propriétés physiques, mais les maths derrière le traitement numérique du signal m’ont toujours semblé intimidantes
Mais quand on tombe sur une phrase du genre « le comportement de miroir de base existe toujours, mais il est généralement assez bien maîtrisé. Les images miroir accidentelles de transmissions sans rapport peuvent être atténuées en choisissant judicieusement la FI, en concevant l’antenne pour qu’elle ait une réponse en fréquence étroite, ou, si nécessaire, en plaçant un filtre passe-bas RF avant le mélangeur », on a l’impression que l’objectif n’est pas atteint.
Cela aurait été mieux de les développer, comme « IF (fréquence intermédiaire) » et « RF (radiofréquence) », et d’ajouter un lien expliquant dans quel contexte l’IF est utilisée, mais le reste de la phrase me semble correct.
https://www.argmin.net/p/the-spirit-of-radio
Il faut un circuit un peu plus complexe que la diode, ou la lame de rasoir rouillée avec un fil, utilisées en AM, mais ce n’est pas extrêmement compliqué. Il existe de nombreuses façons de détecter la FM, et la plupart exploitent non pas la fréquence réelle, mais la phase, c’est-à-dire la variation relative instantanée de la fréquence
La technique moderne est la boucle à verrouillage de phase, mais on peut faire beaucoup plus simple. Les filtres passifs RC, LC ou RL classiques produisent un déphasage, et prendre la différence entre deux phases revient en pratique à décoder la FM. Un composant actif n’est pas strictement nécessaire
Cela dit, avec seulement un filtre RL, le rendement est très faible ; sans même un transistor ou une lampe, il faudrait peut-être se tenir juste à côté de l’émetteur. Pour une station locale puissante, une seule lampe ou un seul transistor devrait toutefois suffire
Avec un condensateur, cela devient plus facile. On peut aussi en fabriquer un en roulant serré du papier et du papier aluminium, ou en plaçant une feuille de verre ou de mica entre de fines lamelles de bois. Les circuits de détection par pente ici (fig. 3 et 4) valent le coup d’œil, et l’article lui-même est une bonne introduction à la détection FM
[1] https://wiki.analog.com/university/courses/electronics/elect...