Démystifions la FM

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Démystifions la FM

Message par balvenie » 23 déc. 2017, 14:34

Voici à la mode vulgarisation les principes de l'émission radio analogique AM et FM (il existe d'autres modes comme la télégraphie (morse), la BLU etc dont on ne parlera pas ici)
Que ceux qui connaissent me pardonnent et me corrigent si je dis des bêtises

Un émetteur produit à partir d'un oscillateur, un signal sinusoïdal dont la fréquence sera la fréquende d'émission que le récepteur de l'auditeur s'efforcera de capter. On appelle ce signal la porteuse ou fréquence porteuse.
Pour mémoire la fréquence du signal est le nombre de fois pas seconde ou l'oscillation se reproduit, elle s'exprime en Hertz avec ses multiples (Khz, Mhz Ghz etc)
A l'inverse la durée d'un cycle (1Hz) s'appelle la période et s'exprime en seconde avec ses sous multiples (ms µs etc)
Les deux fréquence et priode T sont dans la relation mathématique F=1/T (on ne peut plus simple :-aust ).
La troisième caractéristique d'un onde radio est sa longueur d'onde indiquée par le caractère grec lambda, qui se calcule par la relation lambda= C/F
C étant la vitesse de la lumière en m/s et F la fréquence en Hz.
PAr exemple un émetteur sur 100Mhz a une longueur d'on de 300 000 000/100 000 000 soit 3m (à mettre en relation avec les dimensions du dipole comme celui de D Petoin ce qui n'est pas un hasard)

Si on observe à l'oscilloscope un signal sinusoîdal à 1000Hz on voit très bien la sinusoïde qui caractérise le fréquence sur l'échelle horizontale et l'amplitude sur l'échelle verticale

Donc en radio analogique nous disposons principalement de deux modes, l'AM pour Amplitude Modulation et le FM Frequency Modulation, je me dispense de la traduction :-lol2
An AM la fréquence d'émission de l'émetteur reste constante et le signal audio entrant dans l'émetteur va faire varier uniquement l'amplitude du signal.
A l'opposé en FM, l'amplitude du signal émis reste constante mais sa fréquence varie en fonction du signal audio à transmettre. Par réglement international la fréquence ne doit pas varier de +/- 75KHz de part et d'autre de la fréquence d'émission, c'est à dire que si un émetteur FM est sur 90Mhz, sa fréquence va varier au maximum entre 89.025Mhz et 95.075Mhz

La petite animation issue du net ci dessous montre la relation entre le signal modulation et la porteuse en AM et en FM

La relation entre le signal modulant et la porteuse est très évidente en AM, plus subtile en FM.
200px-Amfm3-en-de.gif
200px-Amfm3-en-de.gif (239.13 Kio) Consulté 6739 fois
Sur cette animation, on voit immédiatement que l'amplitude du signal émis en AM varie constamment, ce qui veut dire que par moments le signal reçu sera plus faible qu'à d'autres, pouvant poser des problèmes de réception, alors qu'en FM l'amplitude constante évite ce genre de problème.
Mais comme rien n'est rose, les fréquences utilisées pour l'émission AM et FM étant très différentes les problèmes de réception ne se limiteront pas à ce seul paramètre.

Pourquoi les fréquences utilisées en AM et en FM ne sont pas les mêmes ?
Historiquement les premières émissions radio se sont faites avec des émetteurs rudimentaires qui fonctionnaient d'abord en télégraphie puis en phonie pour transmettre la voix.
La télégraphie c'est très simple on envoie le signal Morse une succession de traits et de points, simplement en émettant la porteuse un court instant pour envoyer un point et trois fois plus longtemps pour envoyer un trait. En anglo saxon cette modulation est dite CW pour Continuous Wave. Un émetteur peut dans ce cas être très simple, les premiers étaient ce qu'on appellerait de nos jours des générateurs de parasites, les premiers étant des générateurs d'étincelle.
220px-Spark_gap_transmitter.jpg
220px-Spark_gap_transmitter.jpg (13.15 Kio) Consulté 6739 fois
Lorsque les scientifiques ont été capables de produire une onde entretenue, et constante en fréquence, les longueurs d'ondes de par la technologie étaient étaint longues, diaine, centaines, milliers de mètres, et la puissance nécessaires à une portée intéressante était considérable.
Pour mémoire France Inter vient d'éteindre son émetteur GO sur 162Khz soir une longueur d'onde de 1852m avec une puissance de 2000KW pour économiser le cout électrique.
Au cours du temps le développement de la radio et de la technologie, a permis la diffusion de la parole en modulant la porteuse au gré de la parole et les ondes longes, GO puis moyennes PO, puis courtes OC, ont utilisé ce procédé de modulation

La technologie FM n'est apparue dans les labos que dans les années 20 puis en diffusion plus tard en 1945 avec l'attribution universelle (ou presque) de la bande 88/108 pour la diffusion FM, espace ou à l'époque il n'y avait pas ou peu d'émissions radio sur ces fréquences.

A suivre.....

Les illustrations sont issues de Wikipédia, qui en dit bien davantage.
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Re : Démystifions la FM

Message par balvenie » 23 déc. 2017, 16:27

Voyons un peu la structure d'un émetteur FM, nous reviendrons plus tard succintement sur l'AM.

Un émetteur FM émet donc une fréquence élévée qui est modulée en fréquence. Il faut donc en un premier temps générer cette fréquence puis la faire "gigoter" au rythme du signal audio à envoyer.
Pour cela le coeur d'un émetteur FM est un oscillateur, qui va générer la fréquence fondamentale.
On obtient simplement un oscillateur en prenant un amplificateur et en bouclant son entrée sur sa sortie, en gros comme pour obtenir du Larsen, on met le micro devant une enceinte.
Le signal sortant de l'étage ampli est renvoyé sur son entrée en phase.
Ainsi lorsque le signal de sortie baisse on le renvoie sur l'entérée qui le ré amplifie et ainsi de suite, se mordant la queue éternellement.
Mais encore faut il que la fréquence de ce signal soit de fréquence connue et voulue.
Pour cela l'étage ampli devenu oscillateur, travaille à partir d'un circuit accordé qui va favoriser la fréquence sur la quelle il est accordé.
Un circuit accordé est composé d'un self (bobine) et d'une capacité, condensateur.
Le couple condensateur self, présente une fréquence de résonance propre qui favorise grandement une fréquence
téléchargement (1).jpg
téléchargement (1).jpg (4.26 Kio) Consulté 6738 fois
Merci Pascal Chour pour le schéma
Voici la courbe de réponse et le fonction de la fréquence de résonnace
images.jpg
images.jpg (6.36 Kio) Consulté 6738 fois
Merci Arsene Perez pour le graphique.

Pour modifier la fréquence, il suffit d'agir sur la self ou le condensateur, en général on agit sur le condensateur en ouvrant et fermant sa cage, sur la photo une seule cage.
CV.jpg
CV.jpg (6.95 Kio) Consulté 6738 fois
Merci F5ZV

Une petite parenthèse vous retrouvez ici un élément familier des tuners vintage à plusieurs cages.
Mais avec ce système simple et longtemps utilisé, le problème principal est la stabilité de fréquence (rencontrée parfois sur les tuners qui dérivent), instabilité liée essentiellement à la dérive thermique des composants.
À l'origine ces éléments étaient montés dans des enceintes thermostatiques pour réduire la dérive
Heureusement le progrès technologique avec l’arrivée des diodes varicaps, et l'adjonction d'une boucle de phase a permis de verrouiller la fréquence de l'oscillateur et nous voilà avec un émetteur stable.
Une diode varicap est une diode semiconducteur qui possède une capacité de sa jonction qui varie en fonction de la tension qui lui est appliquée en polarisation inverse.
Si une diode est polarisée en direct le courant passe à travers, en inverse il est bloqué et la diode se conduit comme un condensateur. Toutes les diodes ont cette propriété à un degré plus ou moins important.

Voici le symbole d'une diode normale, le courant circule de l'anode vers la cathode
téléchargement (2).jpg
téléchargement (2).jpg (8.93 Kio) Consulté 6738 fois
Et voici une diode varicap sur laquelle on voit apparaître le symbole d'un condensateur
téléchargement (3).jpg
téléchargement (3).jpg (2.61 Kio) Consulté 6738 fois
Remplaçons maintenant le CV de notre circuit accordé de départ par deux diodes varicap tête bêche pour un nouveau circuit accordé comme ici
téléchargement (4).jpg
téléchargement (4).jpg (15.53 Kio) Consulté 6738 fois
Qui agit exactement comme le premier. En appliquant au point milieu des diodes varicaps une tension continue, on règle la fréquence de résonance donc celle de l'oscillateur, et si à cette tension continue on superpose un signal audio de faible amplitude, la fréquence de résonance va varier faiblement au gré du signal audio.
Si l'on parvient à maîtriser tout cela on a le cœur de tout émetteur FM analogique.
Pour l'instant nous avons toujours le problème de la stabilité en fréquence, mais heureusement les moyens existent pour maîtriser.

Quelques précisions sur ce schéma
téléchargement (4).jpg
téléchargement (4).jpg (15.53 Kio) Consulté 6738 fois
Le circuit oscillant est constitué par la self L1, les varicarps D1 et D2, et les condensateurs C1 et C1a/b qui sont reliées a la masse.
La masse referme ainsi le circuit.
Ce circuit est insérré dans un circuit avec un transistor ici à effet de champ
oscillateur (4).jpg
oscillateur (4).jpg (26.21 Kio) Consulté 6738 fois

La réaction qui va provoquer le mise en oscillation du transistor est réalisée par la liaison en rouge qui renvoie la sortie sur l'entrée

Voici notre cœur d'émetteur qui palpite il lui faut maintenant un pacemaker pour le maîtriser.
Dernière édition par balvenie le 10 janv. 2018, 18:58, édité 1 fois.
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Message par balvenie » 23 déc. 2017, 16:32

Nous voilà donc en possession d'un oscillateur dont la fréquence peut être contrôlée par une tension continue, cela s'appelle un VCO pour Voltage Controlled Oscillator.
Il existe d'autres techniques pour réaliser un oscillateur comme le DDS pour Direct Digital Synthesis, qui à partir d'un microprocesseur, reconstitue l'onde porteuse, et certains circuits intégrés qui intègrent souvent d'autres fonctions comme sur le petit émetteur chinois avec son codeur stéréo intégré que j'ai etudié ici.

Si notre oscillateur n'est pas stabilisé en fréquence, il va dériver, et peut être venir sur la même fréquence qu'un autre émetteur, on imagine le bazar.
Il faut donc le stabiliser et pour cela on a recours à une boucle de phase ou PLL pour Phase Lock Loop. Dans ce système la fréquence de notre VCO est comparée à la fréquence d'un quartz qui lui même est d'un très grande stabilité. Un comparateur va délivrer un signal d'erreur qui sera appliqué en tant que signal de commande au VCO, verrouillant ainsi la fréquence porteuse.
pll.jpg
pll.jpg (18.75 Kio) Consulté 6731 fois
Sur ce diagramme nous avons à gauche le quartz qui va servir de référence. Il peut être sur les équipements haut de gamme être thermostaté (TCO Temperature Controlled Oscillator)
À l'extrême la sortie du VCO à verrouiller dont la fréquence est divisée par un facteur N pour l'amener à une valeur proche de celle issue du quartz. La valeur de ce diviseur programmable par l'utilisateur, va fixer la fréquence de l'oscillateur.
Pour faire simple, supposons que notre quartz oscille à 1 Mhz et que nous souhaitons avoir une porteuse à 100Mhz, nous divisons 100Mhz par 100 et obtenons 1 Mhz comparable au quartz.
Si nous voulons a ce moment là passer le VCO sur 95Mhz nous allons demander au diviseur de diviser par 95, ce qui à partir du 100Mhz va donner 1.05Mhz à comparer à 1Mhz toujours fixe du quartz. Immédiatement le comparateur de phase va générer un signal d'erreur qui appliqué au VCO va rétablir l'égalité en fréquence entre le quartz et le diviseur donc amener le VCO sur 95Mhz :-aust
Le résultat de cette division et la fréquence du quartz sont envoyés au comparateur de phase qui va générer un signal d'erreur logique, transformé en analogique par le filtre et envoyé au diodes varicaps de notre VCO par le sommateur.
Au passage le sommateur ajoute au signal d'erreur, la modulation audio, et va faire varier la fréquence au gré de la modulation.
Ceci est antagoniste avec le fait de vouloir verrouiller la fréquence avec notre boucle de phase.
Mais, heureusement il y a un mais, la dérive de l'oscillateur s'il n'était pas verrouillé est très lente disons par exemple quelques dizaines de Hz par minute, alors notre modulation audio varie de quelques Hz à 15Hz par seconde. Il est alors facile :-gratte de concevoir le filtre du signal d'erreur afin qu'il ne tienne pas compte des variations rapides de fréquence générées par la modulation.

Je vais essayer de trouver des schémas faciles de réalisation pratique pour illustrer ce qui précède.
L'intérêt de ce qui précède concernant l'émission va faciliter la compréhension de la réception, parce qu'après tout un récepteur est l'envers d'un émetteur :-lol2



Faisons la synthèse de ce que nous avons étudié avec le schéma d'un émetteur FM.
Celui ci correspond à une technologie vintage illustrant bien ce qui précède.
Depuis la gestion du PLL est confiée à un microprocesseur, qui gère aussi un affichage, des sécurités pour protèger l'émetteur, mais le principe reste le même tant qu'on est en analogique.
A ce schéma manquent l'alimentation, et les circuits de protection pour la puissance maximale, la température, les problèmes d'antenne et autres
emetteur.jpg
On retrouve en orange le VCO ici a transistor classique, avec ses deux varicaps
la boucle de phase en jaune avec le gros pavé qui est le PLL en lui même avec les switches qui permettent de programmer le diviseur donc le réglage de la fréquence, et son quartz de référence. Il est précédé d'un diviseur qui divise par 10 la fréquence du VCO pour l'envoyer au PLL.
Le filtre de sortie du PLL est le circuit intégré au dessus de l'inscription PLL et les composants associés
Le sommateur est en fait réparti entre les diodes l'entrée au pré diviseur, et le filtre du PLL.
Les étage qui suivent en bleu sont uniquement des amplificateurs de puissance.

Voici la réalisation d'un émetteur de 20W des années 90, illustrant ce qui a été explique plus haut.
Le cœur, c'est à dire oscillateur et PLL et petite puissance environ 10mW qui sort par le câble noir du haut.
PLL DB.JPG
Etage depuissance et alimentation pour sortir 20W ( en cours de dépannage)
20171215_173013.jpg
Et l'ensemble dans sa boîte
PLL DB.JPG
En haut t à droite on voit les circuits d'entrée

Au début de la FM libre en France 1981 on utilisait pour les grandes puissances au dessus de 250W des tubes de puissance, mais avec les progrès on arrive maintenant à réaliser pratiquement toutes le puissance à transistor en couplant des étages qui peuvent sortir plus de 1000W comme ici
module 1000W.jpg
module 1000W.jpg (32.56 Kio) Consulté 6731 fois
Pour compléter, un émetteur FM ne transmet pas que le son, il existe des signaux complémentaires comme le RDS qui utilise une sous porteuse à 57Khz (trois fois la sous porteuse stéréo) et les infos circulation destinés aux GPS, TMC (Traffic Message Channel) et dans certains pays les signaux DARC de messagerie, mais à ma connaissance ces derniers sont abandonnés.
L'ensemble des signaux audio codé en stéréo ou en mono, le RDS et les sous porteuses associées sont véhiculés par un seul câble et s'appelle MPX acronyme de multiplex, signal que notre récepteur aura à cœur de recevoir et décoder le mieux possible.
Pièces jointes
pilote db.JPG
pilote db.JPG (279.6 Kio) Consulté 6731 fois
Dernière édition par GwiR le 29 déc. 2017, 19:38, édité 2 fois.
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Re: Démystifions la FM

Message par balvenie » 23 déc. 2017, 16:48

Pour qu'il y ait réception, il faut que l'onde émise par l'émetteur soit rayonnée et arrive au tuner. Essayons de comprendre ce qui se passe, ce qui n'est pas toujours facile, on restera dans la vulgarisation.

L'émetteur est obligatoirement relié à un antenne calculée pour la fréquence émise qui sera l'élément rayonnant qui va transformer tout ce qui sort de l'émetteur en un champ électrique.
L'élement de base de toute antenne émission, et réception est le dipôle la même antenne pouvant servir aux deux usages (principe de récipocité)
La liaison entre l'émetteur et l'antenne se fait avec un câble coaxial adapté à la puissance de sortie de l'émetteur comme ceux ci:
câble coax.jpg
câble coax.jpg (5.06 Kio) Consulté 6728 fois

Câble pour puissance inférieure à 600W
gros coax.jpg
gros coax.jpg (4.35 Kio) Consulté 6728 fois
Câble popur puissance supérieure
On remarque que sur ce câble la partie centrale est creuse.
La raison est simple, en HF le courant circule sur une faible épaisseur à la périphérie du fil qui le véhicule, cela s'appelle l'effet de peau.
Donc le centre du conducteur ne présente aucun intéret, de plus comme c'est du cuivre lourd et cher, on fait des économies.
Sur les câbles intermédiaires on a souvent de l'aluminium ou du fer plein cuivre revêtu de cuivre.

Ce câble équipé de connecteurs spécifiques, est relié au dipôle:
dipole.jpg
dipole.jpg (10.52 Kio) Consulté 6728 fois
L'âme du câble est par exemple reliée à la partie haute du dipôle et la gaine périphérique à la partie basse, les deux parties étant isolées l'une de l'autre comme on le voit sur la photo. La partie reliée à la gaine est généralement non isolée et reliée au support de l'antenne.

Le courant HF qui circule dans le dipôle génère un champ électrique polarisé perpendiculairement au dipôle de façon directionnelle dan le plan horizontal et diminuant verticalement au fur et à mesure que l'on s'éloigne de l'axe du dipôle, suivant le carré de la distance.
Si l'on trace la surface sur laquelle le champ électrique est identique on obtient le diagramme de rayonnement de l'antenne qui ressemble en trois dimensions à un tore
tore.jpg
tore.jpg (7 Kio) Consulté 6728 fois
Ici le dipôle est vertical au centre du tore.
Si l'on prend une tranche du tore dans le plan vertical on obtient ce diagramme, le cercle central représentant un rayonnement isotropique c'est à dire égal dans toutes les directions
dig dipole.jpg
dig dipole.jpg (4.84 Kio) Consulté 6728 fois
Dans la pratique on peut associer plusieurs antennes verticalement pour augmenter le champ dans l'axe des antennes. Dans ce cas le tore s’aplatit en se prolongeant horizontalement ce qui résulte en un accroissement de la portée pour la même puissance d'émetteur. A chaque fois que l'on double le nombre d'antennes ou double la puissance rayonnée dans une direction donnée ou l'appelle PAR (Puissance Apparente Rayonnée)
Exemple 2 antennes PAR double
4 antennes PAR quadruple
etc

Donc voici notre onde rayonnée vers notre récepteur.
On peut donc dire que nous avons une onde plane dans un plan vertical lequel plan comprend l'antenne d'émission et idéalement l'antenne de réception.
On comprend l'intérêt si l'antenne d'émission est verticale, on gagne à ce que l'antenne de réception soit également verticale puisqu'elle sera totalement baignée par le champ électrique alors que si elle est horizontale, elle le traverse en n'en recueillant que des fifrelins.

Revenons sur le dipôle qui n'est pas taillé n'importe comment.
En effet sa longueur totale est égale à une demi longueur d'onde ce qui fait qu'il va s'établir un courant HF stable dit onde progressive qui va se transformer en champ électrique. de par sa longueur physique le dipôle "résonne" sur la fréquence pour la quelle il a été calculé et se comporte comme un circuit accordé.
Pour rester simple dans ce circuit accordé l'élément self est constitué des deux éléments et le condensateur par le milieu ambiant c'est à dire l'air autour du dipôle.

Notre antenne de réception , comme un circuit accordé, va donc capter davantage les fréquences pour lesquelles elle est calculée, c'est à dire la bande FM.
Bien entendu si elle est calculée pour 98Mhz elle recevra mieux en théorie le 98 que le 88, mais heureusement en jouant sur le diamètre de l'élément du dipôle on élargit la bande passante et cela devient imperceptible.
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Re: Démystifions la FM

Message par downtown » 23 déc. 2017, 17:10

Super post, Jean-Pierre
très intéressant, pédagogique et bien écrit, je le relis encore une fois! :-Mer

Démystifions, démystifions! :-B
Dernière édition par downtown le 23 déc. 2017, 17:14, édité 1 fois.
JiM :-vu

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Re: Démystifions la FM

Message par balvenie » 23 déc. 2017, 17:14

Merci Jim.
Je retremperai ma plume un peu plus tard, si cela suscite de l'intérêt.
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Re: Démystifions la FM

Message par downtown » 23 déc. 2017, 17:17

Instruire tu le pourras, maître Yoda FM! :-lol2
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Re: Démystifions la FM

Message par chartz » 23 déc. 2017, 17:18

Tu es obligé : tu as mis « à suivre » :mrgreen:
Jacques

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Re: Démystifions la FM

Message par balvenie » 23 déc. 2017, 17:21

chartz a écrit :
23 déc. 2017, 17:18
Tu es obligé : tu as mis « à suivre » :mrgreen:
Je te croyais un ami :-siffle :-mdr
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Re: Démystifions la FM

Message par chartz » 23 déc. 2017, 17:24

balvenie a écrit :
23 déc. 2017, 17:21
chartz a écrit :
23 déc. 2017, 17:18
Tu es obligé : tu as mis « à suivre » :mrgreen:
Je te croyais un ami :-siffle :-mdr
Oui un ami intéressé !
Jacques

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