Interprétation des caractéristiques des récepteurs radio

Interprétation des caractéristiques des récepteurs radio. (1ere partie)
Les notions de dBm, dBmV et dBµV ont déjà étés expliquées dans ces lignes et les articles sont visibles
sur le site du BTS (adresse en page de garde). Nous aborderons donc les notions de bruit, sensibilité et la
première partie du chapitre concernant la sélectivité, pour poursuivre dans l’article prochain avec la suite de la
sélectivité et les caractéristiques dynamiques. Il s’agit la de caractéristiques importantes d’un récepteur.
Bruit
Un récepteur radio détecte des signaux en présence de bruit. Le rapport signal/bruit (S/B) est une notion
importante; il faut que le signal se situe au-dessus du niveau de bruit pour pouvoir être détecté et exploité avec
succès.
Le bruit se manifeste sous différentes formes, que nous nous contenterons de répartir en deux classes
dans le cadre de cette étude : les sources externes au récepteur et les sources internes au récepteur .
Vous ne pouvez pas faire grand chose contre les sources de bruit externes, car elles sont constituées de
signaux électromagnétiques naturels et artificiels qui tombent dans la bande passante du récepteur. La figure 1
représente une approximation de la situation de bruit externe depuis le milieu de la bande de radiodiffusion AM
jusqu'au bas de la zone VHF. Les caractéristiques d'immunité au bruit du récepteur que vous choisirez devront
être bonnes, surtout si vous avez affaire à des sources de bruit puissantes.
Fig. 1 – Distribution du bruit externe entre 1 MHz et 30 MHz
Certaines sources de bruit externes
naturelles sont extraterrestres. Par exemple, si
vous visez l'est avec une antenne directive, le
lever du soleil s'accompagnera d'une
augmentation sensible du niveau de bruit surtout dans la zone VHF. Il se produit
l'inverse vers l'ouest au coucher du Soleil,
mais le phénomène est moins nettement
perceptible, sans doute parce que l'ionisation
atmosphérique décroît plus lentement qu'elle
ne croît.
Au cours de la Seconde Guerre
Mondiale, des opérateurs radar britanniques
ont constaté un accroissement du niveau de
bruit reçu, chaque fois que la Voie Lactée était
au-dessus de l'horizon, ce qui réduisait, dans
leur secteur, la portée de détection des
bombardiers ennemis. Il existe aussi un bruit
bien connu et facilement observable provenant
de la planète Jupiter, dans la bande des 18 à 30
MHz.
Les sources de bruit internes
d'un récepteur dépendent de sa
conception. Un récepteur idéal ne
doit produire aucun bruit lui-même,
aussi le signal de sortie d'un tel
récepteur ne doit-il contenir que le
bruit présent en entrée ainsi que le
signal radio. Mais les circuits d'un
récepteur radio réel engendrent euxmêmes un certain niveau de bruit
interne. Même une simple résistance
de valeur fixe produit du bruit. La
figure 2A représente le schéma
Fig. 2
équivalent d'une résistance parfaite
exempte de bruit ; la figure 2B celui d'une résistance réelle. Le bruit propre à une résistance réelle est représenté
1
dans la figure 2B par une source de bruit, Vb, en série avec une résistance parfaite, exempte de bruit, Ri. À toute
température supérieure au zéro absolu (0 K ou -273,16 °C) les électrons, au sein de tout corps, sont en perpétuel
mouvement aléatoire. Toutefois, du fait du caractère aléatoire de ce mouvement, il n'existe aucun courant
détectable dans une quelconque direction. En d'autres termes, la diffusion des électrons dans une direction
particulière est très rapidement annulée par une diffusion égale dans la direction opposée. En termes de
statistiques, on dirait qu'il n'existe aucune corrélation entre les déplacements des électrons. On constate
cependant une suite ininterrompue d'impulsions de courant aléatoires au sein du corps; ces impulsions sont
perçues, par le monde extérieur, comme des signaux de bruit.
Si l'on connecte une résistance blindé de 50 Ω aux bornes de l'entrée antenne d'un récepteur radio, on
constatera que, par rapport au niveau de bruit relevé lorsque l'entrée est en court-circuit, le niveau de bruit en
sortie du récepteur augmente d'une quantité calculable. De tels signaux de bruit sont appelés bruit d'agitation
thermique, bruit thermique ou bruit de Johnson. On parle aussi de bruit « blanc » en raison de la grande largeur
de bande de sa densité spectrale (le bruit dit « blanc » possède théoriquement une densité spectrale uniforme qui
s'étend depuis le continu jusqu'à une fréquence infinie). L'expression bruit « blanc» est une métaphore qui vient
de la lumière blanche, composée de toutes les fréquences des couleurs visibles. Le bruit thermique peut se
calculer au moyen de la formule suivante, appelée formule de Johnson:
Vb = 4 ⋅ K ⋅ T ⋅ B ⋅ R
où:
Vb est le potentiel de bruit en volts (V),
K est la constante de Boltzmann,égale à 1,38 x 10-23 J/K),
T est la température exprimée en degrés Kelvin (K) fixée par convention à 290 ou 300 K,
R est la résistance, en ohms (Ω),
B est la largeur de bande, exprimée en hertz (Hz).
Exemple
Trouver la tension de bruit d'un circuit ne comprenant qu'un résisteur de 50 Ω, pour une largeur de
bande de 1000 Hz.
Vb = 4⋅ K ⋅ T⋅ B ⋅ R
Vb = 1×1,38×10−23 × 290×1000 × 50
Vb = 8 ×10 − 16 = 2,8×10 − 8 V = 0,028 µV
Étant donné que l'on utilise différentes bandes passantes pour divers modes de réception, il est d'usage
courant de ne plus faire figurer le facteur bande passante dans l'équation 9-2, et donc de l'écrire sous la forme:
Vb = 4 ⋅ K ⋅ T ⋅ R
(V/Hz)
Grâce à cette équation, il est facile de trouver la tension de bruit pour une bande de fréquence donnée en
prenant la racine carrée de la bande de fréquences et en la multipliant par le résultat de l'équation. Cette
équation n'est ni plus ni moins que la solution de l'équation précédente normalisée pour une bande passante de 1
Hz.
Rapport signal/bruit (S/B)
Le rapport signal / bruit (S/B ou SIN ou encore SNR, de Signal to Noise Ratio) d'un récepteur est un bon
indicateur de ses qualités. L'objectif d'un concepteur est d'améliorer le rapport S/B autant que possible. En fin
de compte, le niveau du signal minimum détectable en sortie d'un amplificateur ou d'un récepteur est le niveau
qui apparaît juste au-dessus du seuil de bruit. Par conséquent, plus le seuil de bruit du système est bas, plus le
signal minimum admissible sera faible.
Facteur de bruit, indice de bruit, et température de bruit
On peut définir les qualités en bruit d'un récepteur ou d'un amplificateur, de trois façons différentes mais
connexes: le facteur de bruit (Fb), l'indice de bruit (NF) et la température équivalente de bruit (Te), que l'on peut
définir respectivement comme étant un rapport simple, un rapport en décibels et une température Kelvin.
Facteur de bruit (Fb)
Pour les composants tels que les résistances, le facteur de bruit est le rapport entre le bruit produit par
une résistance réelle et le bruit thermique produit par un résisteur parfait. Le facteur de bruit d'un récepteur
radio (ou de tout autre système) est le rapport entre la puissance de bruit à la sortie (Pbs) et la puissance de bruit
à l'entrée (Pbe) :
Fb = Pbs / Pbe
(T = 290 K)
(1)
Pour que les comparaisons soient plus simples à étudier, on mesure généralement le facteur
2
de bruit pour une température normalisée (Ta) de 290 K (température normalisée d'une pièce) ; quoique dans
certains pays on prenne habituellement 299 K ou 300 K (les différences sont négligeables).
On peut également définir le facteur de bruit Fb en termes de rapport S/B entre l'entrée et la sortie.
Fb = Sbe / Sbs
(2)
où:
Sbe est le rapport signal/bruit en entrée
Sbs est le rapport signal/bruit en sortie.
Indice de bruit (NF = noise figure)
L'indice de bruit est une mesure fréquemment utilisée pour caractériser la « bonne qualité» d'un
récepteur, ou son écart par rapport à un récepteur « parfait ». Aussi s'agit-il d'un indice de mérite. L'indice de
bruit est le facteur de bruit converti en notation décibel:
NF = 10 log (Fb)
où:
NF est l'indice de bruit, exprimé en décibels (dB),
Fb est le facteur de bruit calculé en 9-4, et où log indique qu'il s'agit d'un logarithme décimal.
Température de bruit (Te)
La « température » de bruit est une image qui permet de préciser le bruit en terme de température
équivalente. En élevant au carré l'équation du calcul du bruit thermique découverte par Johnson, on constate
que la puissance de bruit est directement proportionnelle à la température exprimée en degrés Kelvin, et aussi
que la puissance de bruit atteint zéro à la température du zéro absolu (0 K).
Il faut remarquer que la température de bruit équivalente Te n'est pas la température physique de
l'amplificateur, mais plutôt un artifice théorique correspondant à la température équivalente qui engendre la
même puissance de bruit. La relation entre température de bruit et facteur de bruit est:
Te = (Fb - l) To
(To=290 K ou 300 K selon le système de mesure)
et celle avec l'indice de bruit :
Te = K To log -1 (NF / 10) - l
La température de bruit, pour les récepteurs et les amplificateurs, est souvent spécifiée avec l'indice de
bruit, ou quelquefois le remplace.
Bruit dans les amplificateurs à plusieurs étages
Le signal de bruit est perçu par chaque étage d'amplification comme un signal d'entrée valide. Chaque
étage de la chaîne (figure 3) amplifie non seulement les signaux utiles mais aussi le bruit, issu des étages
précédents et contribue également à rajouter du bruit. Ainsi, dans un amplificateur à plusieurs étages, l'étage
final voit un signal d'entrée constitué du signal et du bruit originels amplifié par chacun des étages, auquel il
faut ajouter le bruit apporté par les étages précédents. On peut calculer le facteur de bruit global d'un
amplificateur à plusieurs étages en utilisant l'équation de bruit de Friis :
F2 − 1 F3 − 1
Fn − 1
Fb = F1 +
+
+ .... +
G1
G1 G 2
G1 G 2...G n −1
où:
Fb est le facteur de bruit global des N étages montés en cascade
F1 est le facteur de bruit de l'étage 1
F2 est le facteur de bruit de l'étage 2
Fn est le facteur de bruit de l'étage n
G1 est le gain de l'étage 1
G2 est le gain de l'étage 2
Gn-l est le gain de l'étage (n-l).
Selon l'équation de Friis, le facteur de bruit de toute une chaîne dépend essentiellement du bruit du
premier, ou des deux premiers étages. Les amplificateurs à gain élevé et faible bruit ne mettent habituellement
en œuvre un circuit d'amplification faible bruit que pour le premier ou les deux premiers étages de la chaîne
lorsque le gain G1 est faible. Ainsi, vous ne trouverez un amplificateur faible bruit qu'au point d'excitation de
l'antenne, mais les autres amplificateurs de la chaîne auront des caractéristiques de bruit moins sévères.
Le chapitre du rapport signal sur bruit (S/B) est quelquefois traité de différentes façons, qui tendent
chacune à mettre en valeur un point fort de la chaîne de traitement. La plupart du temps on trouvera des
indications concernant le rapport signal + bruit / bruit (S + B)/B. Lorsque que les rapports augmentent, les
3
valeurs S/B et (S + B)/B convergent (on ne constate qu'une différence de 0,5 dB pour des rapports aussi faibles
que 10 dB). Il existe une autre variante qui est le rapport SINAD (de Signal plus Noise And Distorsion to
Noise), qui est le rapport entre la somme de l'amplitude du signal utile, du bruit et de la distorsion et le bruit
proprement dit. La mesure du SINAD tient compte de la plupart des facteurs susceptibles de détériorer la
réception.
Fig. 3 – paramètres nécessaires au calcul du bruit d’une chaîne d’amplification
Seuil de bruit du récepteur
Le seuil de bruit du récepteur représente la quantité de bruit produit par l'ensemble des circuits internes
du récepteur, et influe directement sur sa sensibilité. La valeur du seuil de bruit s'exprime habituellement en
dBm. Voici comment l'apprécier: plus cette valeur est négative, meilleur est le récepteur. Les meilleurs
récepteurs ont des valeurs de seuil de bruit inférieures à -130 dBm, et certains très bons récepteurs présentent
des valeurs comprises entre -115 dBm et -130 dBm.
Le seuil de bruit dépend directement de la bande passante utilisée pour le mesurer. Cette bande passante
est généralement mentionnée dans les caractéristiques du récepteur telles que les donne son constructeur ou son
distributeur, mais il faut soigneusement vérifier que les valeurs plutôt flatteuses correspondent bien à la bande
passante que vous allez utiliser dans le mode de réception souhaité. Si vous ne vous intéressez par exemple qu'à
la réception des signaux faibles dans une bande AM de 6 kHz, et si le seuil de bruit est spécifié pour un filtre
CW de 250 Hz, alors sa valeur serait trop élevée pour votre application.
Caractéristiques statiques
Les deux qualités les plus importantes d'un récepteur radio sont la sensibilité et la sélectivité. La
sensibilité est le niveau du signal d'entrée nécessaire à la restitution d'un signal de sortie exploitable. La
sélectivité est la faculté que possède le récepteur d'atténuer fortement les signaux des canaux adjacents.
Examinons ces deux facteurs. Dans un récepteur radio moderne et bien conçu, il faut aussi se souvenir
que les qualités statiques peuvent être moins significatives que les qualités dynamiques.
Sensibilité
La sensibilité quantifie la faculté d'un récepteur à capter et surtout à détecter un signal; elle est
généralement indiquée en microvolts (µV). Vous lirez par exemple dans une présentation à caractère
publicitaire une indication du genre: « sensibilité 0,5 µV ». Il faut se poser la question suivante: « par rapport à
quoi? ». Cette valeur de sensibilité en microvolts ne veut rien dire si on ne précise pas les conditions de test.
Pour la majorité des récepteurs du commerce, la condition de test classique correspond à la sensibilité
nécessaire à l'obtention d'un rapport signal plus bruit sur bruit (S + B/B) de 10 dB dans le mode qui nous
intéresse. Si par exemple un seul indice de sensibilité est indiqué, il faut découvrir pour quelle bande passante:
5 à 6 kHz pour l'AM, 2,6 à 3 kHz pour la BLU, 1,8 kHz pour un RTTY (de radiotélétype ou téléscripteur), ou
200 à 500 Hz pour la CW.
La bande passante affecte les mesures de sensibilité. En effet, s'il existe une façon « folklorique » de
rédiger les caractéristiques d'un récepteur du commerce, c'est bien celle des publicités qui spécifient la
sensibilité pour un mode à bande passante étroite comme la CW, alors que les autres caractéristiques sont
spécifiées pour un mode plus utilisé, à bande passante plus large, comme la BLU. On a déjà vu le cas
particulièrement fumeux d'une publicité qui mettait au premier plan une valeur de sensibilité qui ne concernait
que la bande passante du mode CW, alors que le filtre CW à 270 Hz était une option coûteuse qu'il fallait
commander séparément!
On peut voir à travers quelques chiffres comment varie la sensibilité. Il faut se rappeler qu'indiquer une
sensibilité de « ‘x’ µV » se réfère d'habitude à une norme du type « ‘x‘ µV pour produire un rapport signal /
bruit de 10 dB ».
Prenons le cas d'un récepteur à ondes courtes (HF) où le mode de réception principal est l'AM (pour la
radiodiffusion internationale), et pour lequel la sensibilité est de 1,9 IlV pour un rapport S/B de 10 dB avec une
4
bande passante de 5 kHz.
En réduisant la bande passante à 2,8 kHz
pour la BLU, la sensibilité s'améliore alors d'un
facteur égal à la racine carrée du rapport des
bandes passantes, soit 5/ 2,8 . Si on réduit
encore, dans le cas de la CW, la bande passante à
270 Hz (c'est-à-dire 0,27 kHz), la sensibilité, pour
un rapport signal / bruit de 10 dB, s'améliore d'un
facteur égal à 5/ 0,27 . La sensibilité, qui est
égale à 1,9 µV en AM, passe donc à 1,42 µV en
BLU et à 0,44 µV en CW (voir les valeurs
reportées à la figure 4). Si la publicité ne
mentionnait que les valeurs pour la CW, le
récepteur paraîtrait bien meilleur qu'il ne l'est,
alors que l'utilisateur moyen n'aura en fait jamais
à se servir du mode CW.
Ces écarts de sensibilité expliquent
également
pourquoi on peut entendre des signaux
Fig. 4 – Comparaison des niveaux de signaux requis pour
faibles
en
BLU
dans des conditions où les signaux
l’obtention d’un rapport S/B de 10 dB lorsque les bandes
AM d'amplitude similaire sont noyés dans le bruit,
passantes sont de 270 Hz, 1,8 et 5 kHz.
et pourquoi le mode CW présente un avantage qui
peut atteindre 20 dB sur la BLU, dans les mêmes conditions. L'utilisation d'un mode déterminé (AM, BLU,
RTTY, CW, etc.) peut parfaitement se traduire, pour certains récepteurs, par des différences de sensibilité
supérieures à celles qui résultent de l'association bande passante et mode. Cela est dû à un « gain de traitement
» lié au type du circuit de détection utilisé pour démoduler le signal en sortie de l'amplificateur FI.
Un simple détecteur d'enveloppe AM présente des pertes parce qu'il n'est constitué que d'une diode
(lN60, etc.) et d'un circuit passif: le réseau de lissage RC. D'autres détecteurs (détecteur de produit pour la
BLU, détecteur synchrone AM) ont leur propre gain en signal, et contribuent ainsi à améliorer les valeurs de
sensibilité par rapport à celles qui sont liées aux diverses bandes passantes.
Un autre indice de la sensibilité est le
signal minimal détectable (SMD ou MDS,
de Minimum Detectable Signal) ; on
l'exprime habituellement en dBm. Ce niveau
de signal est la puissance du signal aux
bornes d'entrée de l'antenne du récepteur
nécessaire pour produire un rapport (S +
B)/B normalisé, comme 3 dB ou 10 dB
(figure 5).
Pour mesurer la sensibilité d'un
récepteur, il est fréquent de mentionner les
conditions de test. Par exemple, dans le cas
d'un récepteur AM, on mesure la sensibilité
nécessaire à l'obtention d'un rapport S/B de
10 dB, avec un signal d'entrée modulé à
Fig. 5 – niveau de signal minimu détectable, défini selon deux normes 30% par une fréquence sinusoïdale de 400
ou de 1000 Hz.
différentes : rapports (S/B)/B de 3 et de 10 dB.
On emploie quelquefois une autre
méthode pour mesurer la sensibilité en AM ; c'est notamment le cas de l'entretien des récepteurs radio grand
public (il n'est pas facile de mesurer le rapport S/B avec le matériel dont disposent habituellement les
techniciens qui interviennent sur ces postes). Il s'agit de la méthode dite des « conditions de sortie normalisées
». Certains manuels d'entretien précisent la puissance du signal basse fréquence ou la tension du signal basse
fréquence pour un point caractéristique donné, en présence d'une porteuse HF modulée à 30%. Dans le cas
précis d'un récepteur autoradio, la sensibilité était indiquée comme suit : « ‘x’ µV produisent 400 m W dans une
résistance de 8 Ω mise à la place du haut-parleur, lorsque le générateur de signaux est modulé à 30% par un
5
signal basses fréquences à 400 Hz ». Une note sibylline représentait sur le schéma théorique une forme d'onde
sinusoïdale aux bornes du haut-parleur avec la mention suivante « 400 m W dans 8 Ω (1,79 Veff), @30% mod.
400 Hz, l µV HF ». On mesure quelquefois la sensibilité d'une façon semblable; mais on précise, comme niveau
de signal, la valeur de la tension présente sur le potentiomètre de volume ou en sortie de l'ensemble
détection/filtrage, lorsqu'on applique à l'entrée un signal d'amplitude déterminée. Il existe ainsi deux façons de
caractériser la sensibilité AM : pour un rapport S/B de 10 dB et pour des conditions de sortie normalisées.
On peut aussi spécifier la sensibilité d'un récepteur FM de deux façons. La première est la méthode du
rapport S/B de 10 dB (c'est-à-dire l'amplitude exprimée en microvolts du signal présent aux bornes d'entrée
nécessaire à l'obtention d'un rapport S/B de 10 dB lorsque la porteuse est modulée par un signal connu). On
mesure la modulation FM par l'excursion de fréquence exprimée en kHz. Pour cette catégorie de récepteurs on
utilise quelquefois la pleine excursion de fréquence et dans d'autres cas, on mentionne une valeur égale à 25 à
35% de la pleine excursion.
Pour mesurer la sensibilité en FM on utilise une seconde méthode qui consiste à indiquer le niveau du
signal requis pour réduire de 20 dB le bruit en absence de signal. C'est ce que l'on appelle la « sensibilité d'un
récepteur FM à souffle réduit de 20 dB ». Si on accorde un récepteur FM entre des stations, on entend un fort
bruit de « chute d'eau » caractéristique de ce type de réception. Une partie de ce bruit est d'origine externe,
l'autre d'origine interne. Lorsqu'un signal FM apparaît dans la bande passante, ce bruit de souffle disparaît même dans le cas où la porteuse FM n'est pas modulée.
La sensibilité du récepteur FM indique ici le nombre de microvolts nécessaires à l'obtention d'un niveau
de bruit réduit, généralement de 20 dB.
Sélectivité
Toute caractéristique de récepteur est importante; mais si l'on avait à choisir entre sensibilité et
sélectivité, il vaudrait mieux opter pour la sélectivité. La sélectivité quantifie la faculté que possède le récepteur
à éliminer toute interférence due aux canaux (TV) voisins. Ou encore, c'est la faculté d'éliminer toute
interférence due à des signaux (HF) dont la fréquence est proche de celle du signal à recevoir.
Pour saisir l'importance des exigences liées à la sélectivité, il nous faut tout d'abord mieux comprendre
la nature des signaux radioélectriques réels. En théorie une porteuse radio non modulée possède une bande
passante extrêmement fine (quasiment nulle) ; en réalité les porteuses réelles non modulées ont une bande
passante très étroite, mais non nulle, parce que le bruit ou toute autre perturbation les modulent. Dès qu'un
signal radio est modulé pour acheminer une information, sa bande passante s'élargit.
La bande de fréquences d'un signal télégraphique modulé en tout ou rien (CW) s'étend plus ou moins de
part et d'autre de la fréquence de la porteuse selon la vitesse de manipulation et la forme d'onde de travail.
La figure 9-12 représente la comparaison entre deux signaux RTTY ayant respectivement une séparation
des fréquences travail/repos de 200 Hz (figure 9-12A) et de 800 Hz (figure 9-12B). On remarquera l'étalement
des bandes latérales de part et d'autre des signaux principaux travail et repos ; ces raies supplémentaires sont
d'autant plus nombreuses (et d'amplitude plus élevée) que la forme de l'enveloppe du signal émis est à flancs
plus raides.
L’étendue de la bande passante d'un signal AM est égale à deux fois la plus élevée des fréquences audio
transmise. Prenons l'exemple d'un émetteur-récepteur de trafic AM qui a une bande passante BF de 300 à 3000
Hz ; la forme d'onde occupera alors un spectre égal à la fréquence de la porteuse (F) plus ou moins la bande
passante basses fréquences CF ± 3000 Hz dans ce cas).
L'étendue de la bande passante d'une porteuse FM est égale à l'excursion. Par exemple, celle d'un
émetteur-récepteur FM à bande étroite du service mobile terrestre ayant une excursion de 5 kHz, est égale à ± 5
kHz, tandis que celle d'un émetteur-récepteur FM de radiodiffusion est de ± 75 kHz (N.d.T. : auxÉtats-Unis).
Il est nécessaire qu'un récepteur ait une largeur de bande suffisante au moins égale à la bande passante
du signal radio pour recouvrer tout le signal. Dans le cas contraire il peut y avoir perte d'information et
distorsion du signal de sortie. Si la bande passante est trop large le bruit capté par le récepteur sera plus élevé,
ce qui se traduira par une dégradation du rapport S / B. La vocation du circuit de sélectivité d'un récepteur est
d'adapter la bande passante du récepteur à celle du signal. C'est pourquoi les récepteurs ont une bande passante
de 270 à 500 Hz en CW, 2 à 3 kHz en BLU et 4 à 6 kHz en AM. C'est ce qui permet d'adapter la bande passante
du récepteur au type de transmission employé.
La sélectivité d'un récepteur possède un certain nombre de caractéristiques à prendre en considération :
la bande passante des étages d'entrée, la bande passante FI, le facteur de forme FI, et la réjection finale.
6
Bande passante des étages d'entrée
Les étages d'entrée d'un récepteur radio superhétérodyne moderne sont constitués de l'ensemble des
circuits compris entre les bornes d'entrée de l'antenne et la sortie du premier étage mélangeur. La sélectivité des
étages d'entrée joue un rôle important puisqu'elle interdit aux signaux hors bande de venir perturber le
récepteur. Par exemple, des émetteurs de radiodiffusion AM très proches peuvent facilement saturer un
récepteur à ondes courtes mal conçu. Même si l'opérateur n'entend pas ces signaux (comme c'est souvent le
cas), le récepteur sera moins sensible, mais il sera affecté soit par des produits harmoniques soit
d'intermodulation ; il va alors entendre dans le haut-parleur des « gazouillis » (birdies) ou autres types
d'interférence. Les signaux locaux puissants peuvent accaparer une grande partie de la dynamique du récepteur;
par conséquent il sera plus difficile d'entendre les signaux faibles.
On rencontrera principalement deux méthodes de sélection de la fréquence. Le réalisateur d'un récepteur
peut choisir de n'appliquer que l'une des deux ou toutes les deux à condition de séparer les réseaux par des
étages tampons, avec éventuellement amplification de quelques (6 à 10) dB. On dénomme ces deux méthodes
de sélection: méthode du filtre à fréquence de résonance (figure 9-13A) et méthode du filtre passe-bande (figure
9-13B).
La méthode de la fréquence de résonance met en œuvre des composants LC accordés sur la fréquence
recherchée pour sélectionner les signaux HF qui atteindront le mélangeur. Dans certains récepteurs, ces
éléments de circuit HF sont conçus pour suivre l'oscillateur local qui fixe la fréquence de réception. C'est
pourquoi on trouve dans les récepteurs de radiodiffusion AM des condensateurs variables à deux cages ;
chacune d'elles possède une gamme de capacité différente. L'une sert à accorder l'oscillateur local et l'autre
l'entrée HF en «poursuite» (ou tracking) du premier oscillateur. Dans d'autres récepteurs, on dispose d'un
bouton supplémentaire de recherche des stations (marqué «amplificateur haute fréquence» ou «antenne» ou
encore «présélecteur ,,).
L'autre méthode met en œuvre un filtre passe-bande à bande passante inférieure à l'octave qui ne laissera
passer dans les étages d'entrée qu'une partie du spectre HF. Ainsi, par exemple, un récepteur pour ondes courtes
conçu pour recevoir le spectre HF par plages de 1 MHz disposera d'un réseau de filtres passe-bande d'entrée HF
ayant chacun une largeur de bande de 1 MHz (par exemple de 9 à 10 MHz ... ).
De plus, la sélectivité des étages d'entrée permet d'améliorer les capacités de réjection de la fréquence
image et de la première FI (voir ci après).
Réjection de la fréquence image
Dans un récepteur superhétérodyne
on appelle «image» le signal qui apparaît,
par rapport à la fréquence d'accord, à une
distance égale au double de la FI, mais de
l'autre côté de la fréquence de l'oscillateur
local. Dans le cas de la figure 6, un
récepteur superhétérodyne a une FI égale à
455 kHz (soit 0,455 MHz) et on l'accorde
sur 24,0 MHz (FHF). Puisque ce récepteur
utilise une injection d'oscillateur local
basse, la fréquence de l'oscillateur local
FOL est égale à 24,0 - 0,455, soit 23,545
MHz. Si un signal apparaît sous la HF à
Fig. 6 – Le problème de la détection de la fréquence image
une distance égale à deux fois la FI (c'està-dire à 910 kHz sous FHF ) et si elle atteint le mélangeur, la fréquence différence de 455 kHz traversera alors
directement le filtrage FI, et sera considérée comme un signal valable. La caractéristique de réjection de la
fréquence image spécifie le taux d'atténuation de cette fréquence image. Généralement, on considère comme
bonne toute valeur supérieure à 70 dB.
La meilleure méthode pour réduire la sensibilité à la fréquence image du récepteur consiste à choisir une
fréquence FI suffisamment élevée pour que la fréquence image tombe à l'extérieur de la bande passante des
étages d'entrée du récepteur. Pour la réception de la FM (VHF), une valeur courante est de 10,7 MHz ou une
valeur similaire. Pour la réjection de la fréquence image dans les bandes HF plus élevées, ces fréquences sont
nettement plus intéressantes qu'une FI de 455 kHz parce que, lorsque la fréquence reçue croît, la fréquenceimage la suit (ou la précède) à une « distance» de 910 kHz, de plus en plus proche de la bande passante de la
tête HF où elle finit par pénétrer, en dépit des efforts du concepteur pour obtenir un facteur de forme élevé.
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Dans nos récepteurs de trafic, on procède au double changement de fréquence et même parfois un triple
changement de fréquence. Dans presque tous les récepteurs, la première FI est nettement plus élevée que la HF
avec une valeur comprise entre 35 et 60 MHz (voir plus). En reprenant l'exemple précédent, si on transpose
d'abord à 50 MHz le signal de 24 MHz (la fréquence de l'oscillateur local est à 74 MHz), la fréquence image se
situe à 124 MHz et se trouve très en dehors de la bande passante du filtre d’entrée.
Le second changement de fréquence abaisse la FI jusqu'à une fréquence de l’ordre de 455 kHz. Pour
accroître la sélectivité d'un récepteur, il est préférable d'utiliser des fréquences inférieures à 50 MHz parce qu'il
est plus facile de se procurer des filtres à quartz, céramiques ou mécaniques de bonne qualité à un prix
raisonnable.
Réjection de la première fréquence FI
La réjection de la première FI caractérise la faculté que possède un récepteur d'éliminer plus ou moins
bien les signaux radioélectriques qui ont la même fréquence que la première FI. Par exemple un récepteur qui a
sa première FI à 50 MHz doit pouvoir éliminer les signaux radioélectriques situés sur cette fréquence lorsqu'on
l'accorde sur une autre fréquence. Une bonne solution consiste à protéger le récepteur par un blindage, mais la
sélectivité de ses étages d'entrée influe sur la façon dont il réagit (plus ou moins bien) aux signaux de la
première FI. Si la sélectivité des étages d'entrée est insuffisante pour atténuer fortement les signaux situés à la
FI, ceux-ci parviendront très facilement à l'entrée du changeur de fréquence ou, selon la conception du changeur
de fréquence, traverseront alors directement les amplificateurs FI à grand gain et on les entendra en sortie du
récepteur.
Bande passante des étages FI
L'essentiel de la sélectivité d'un récepteur est à mettre au compte du filtrage effectué au sein de la chaîne
d'amplification FI. On peut réaliser ce filtrage à l'aide d'un filtre LC (surtout si la FI principale est une
fréquence basse, telle que 50 kHz), d'un résonateur céramique, d'un filtre à quartz, ou encore d'un filtre
mécanique. De tous ces éléments, on considère que le filtre mécanique est généralement le meilleur, suivi du
filtre à quartz puis du filtre céramique.
La largeur de la bande passante des étages FI s'exprime en kilohertz et se mesure entre les points de la
courbe de réponse de la FI où le gain chute de 3 dB par rapport à sa valeur à mi-bande (figure 7). C'est pourquoi
vous verrez quelquefois la sélectivité exprimée sous la forme suivante: «6 kHz entre les points à -3 dB».
Pour obtenir les meilleurs résultats
possibles, il faut adapter la bande passante
des étages FI à celle du signal reçu. Si l'on
choisit une bande passante trop large, le
signal reçu sera entaché de bruit, ce qui
entraînera une détérioration du rapport S/B.
Si elle est trop étroite, il sera difficile de
recouvrer toute l'information émise. Ainsi,
un signal radioélectrique de la bande de
radiodiffusion AM qui a des composantes
basses fréquences à 4,5 kHz occupe jusqu'à
Fig. 7 – Sélectivité apportée par les étages FI
9 kHz d'espace spectral (F ± 4,5 kHz). Si
l'on choisit un filtre FI BLU de 2,8 kHz, on entendra un signal fortement déformé.
Facteur de forme de la FI
Le facteur de forme mesure la raideur des flancs de la bande passante FI du récepteur; c'est le rapport de
la largeur de bande à -6 dB à la largeur de bande à -60 dB. On dit généralement que plus les valeurs sont
proches l'une de l'autre, meilleur est le récepteur. On considère que toute valeur comprise entre 1/1,5 et 1/1,9 est
caractéristique d'un récepteur d'excellente qualité; une valeur inférieure à 1/3 ne permet pas de le classer parmi
les modèles réputés « sérieux ». Une valeur comprise entre 1/1,9 et 1/3 correspond à un récepteur de qualité
certes moyenne, mais que l'on peut utiliser (sans être trop exigeant).
Le facteur de forme est important parce qu'il modifie la largeur de bande. La largeur de bande citée (par
exemple, 2,8 kHz pour la BLU) ne tient pas compte de l'incidence des signaux forts situés immédiatement audelà de ces limites. De tels signaux peuvent facilement détériorer la sélectivité des étages FI si les « flancs» de
la bande passante FI ne sont pas raides. Ainsi, plus ils seront raides, moins la proximité d'un signal puissant
perturbera le fonctionnement du récepteur. C'est pourquoi, si l'on choisit un récepteur avec un facteur de forme
8
qui se rapproche le plus possible de la valeur idéale 1/1 (qu'il est impossible d'atteindre, soit dit en passant), on
sera certain d'avoir un excellent équipement.
Réjection de la fréquence éloignée ou « ultime»
Cette caractéristique nous renseigne sur la capacité du récepteur à éliminer les signaux très puissants situés très
en dehors de la bande passante FI du récepteur. On exprime sa valeur en décibels négatifs ; plus elle est élevée,
mieux c'est. Cette valeur sera comprise entre -60 à -90 dB pour un excellent récepteur, entre -45 à -60 dB pour
un récepteur de qualité moyenne, et pour un récepteur épouvantable elle sera de -44 dB ou pire encore.
Stabilité
La caractéristique de stabilité quantifie la dérive en fréquence d'un récepteur en fonction du temps
écoulé ou des variations de température. La dérive de l'oscillateur local fixe la stabilité globale du récepteur. On
spécifie habituellement cette caractéristique en termes de dérive à court terme et dérive à long terme (par
exemple, à cause du vieillissement d'un quartz). La dérive à court terme est importante dans le cas d'un
fonctionnement quotidien, alors que la dérive à long terme affecte essentiellement le calibrage du cadran.
Si c'est un oscillateur à fréquence variable (VFO) ou un système à synthèse partielle de fréquence
(mélange d'oscillateur à fréquence variable et d'oscillateur à quartz) qui pilote le récepteur, la stabilité est alors
déterminée par celle de l'oscillateur à fréquence variable. Dans les récepteurs à synthèse de fréquence, la
stabilité est régie par le maître oscillateur de référence à quartz. Si l'on utilise un oscillateur à quartz thermostaté
(OCXO, de Oven Controlled Cristal Oscillator ou, littéralement oscillateur à cristal contrôlé par un ... four) ou
un oscillateur à quartz compensé en température (TCXO, de Temperature Controlled Cristal Oscillator - pas
besoin de traduire, je suppose .. .) pour le pilote de référence, on obtient une stabilité de 0,01 partie par millions
par °C.
Pour la plupart des utilisateurs, c'est la stabilité à court terme qui est la plus importante - surtout lorsque
l'on capte des signaux en BLU, en BLD, ou en RTTY. Un bon récepteur aura une caractéristique classique de
50 Hz/heure après trois heures de mise en température, ou de 100 Hz/heure après quinze minutes de mise en
température. Plus faible est la dérive, meilleur est le récepteur.
C'est dès la conception qu'il faut jeter les bases d'une bonne stabilité. L'oscillateur local ou l'oscillateur à
fréquence variable (sous-ensemble d'un synthétiseur) doit fonctionner à température constante au sein du
matériel, protégé de toute source de chaleur, et il faut le réaliser avec des composants appropriés. Souvent c'est
par le choix de condensateurs au coefficient de température approprié que l'on cherche à compenser la dérive de
la valeur des inductances en fonction de la température.
Plus tard, après la phase de conception, certaines modifications restent possibles, mais leur mise en
œuvre est alors moins aisée. La cause majeure des problèmes de dérive est la chaleur. À l'époque des
oscillateurs à tubes, la chaleur dégagée par les tubes était source de dérive. Un récepteur à la mode des années
1950 avait d'excellentes qualités, sauf en ce qui concerne la dérive de l'oscillateur local fréquence variable. On
y remédiait habituellement par l'introduction de plaques métalliques recouvertes d'un isolant thermique et
placées entre la source de chaleur (la chaîne d'amplification FI) et le boîtier de l'oscillateur à fréquence variable.
Il en résultait une amélioration assez spectaculaire. Cependant, dans la plupart des récepteurs modernes à semiconducteurs, il n'est pas aussi aisé de trouver assez de place pour de telles modifications.
Un autre défaut des récepteurs bas de gamme et des récepteurs de fabrication maison mal construits est
celui des déplacements de fréquence liés à la réalisation mécanique du récepteur. On ne le constate plus sur la
plupart des récepteurs modernes (même sur des récepteurs très bon marché), mais autrefois il affectait
gravement le fonctionnement des modèles de prix modique. Ce problème se manifestait généralement sur les
récepteurs pilotés par un oscillateur à fréquence variable où les vibrations du coffret se transmettaient soit aux
bobines soit aux condensateurs de l'oscillateur à fréquence variable LC. La stabilisation mécanique de ces
composants fera des merveilles.
Plage et seuil de la commande automatique de gain
Les récepteurs modernes de trafic doivent pouvoir traiter des signaux dont les amplitudes varient dans
un rapport de 1 à 1000000. La recherche de stations dans une bande occupée par des signaux d'amplitude
fortement variable est pénible pour les oreilles et délicate pour le récepteur, ce qui fait que les récepteurs
disposent d'une commande automatique de gain (CAG ou AGC, de Automatic Gain Control) qui lisse ces
variations. Le rôle de la CAG est de réduire le gain lorsque les signaux sont puissants et de l'accroître lorsqu'ils
sont faibles (dans la plupart des récepteurs de trafic HF, on peut le mettre hors circuit). La plage de la CAG est
la variation du signal d'entrée (exprimée en dBµV) depuis un niveau de référence (par exemple, 1 µV) jusqu'au
9
niveau d'entrée qui produit une variation du niveau de sortie de 2 dB. Des plages comprises entre 90 et 110 dB
sont habituelles.
Le seuil de commande automatique de gain est le niveau de signal pour lequel la CAG commence à
fonctionner. Si la CAG est réglée à un niveau trop bas, le récepteur amplifiera le bruit, et agacera l'opérateur.
S'il est réglé trop haut, l'opérateur sera soumis, pendant le balayage de la bande, aux variations irritantes du
niveau du signal de sortie. Des seuils de CAG compris entre 0,7 et 2,5 µV sont considérés comme des valeurs
correctes, tandis que pour les meilleurs récepteurs, ils se situent entre 0,7 et 1 µV.
Une autre caractéristique de la CAG concerne sa rapidité. Quelquefois indiquée en millisecondes, elle
l'est aussi fréquemment sous l'appellation de « rapide » ou « lente ». C'est la vitesse à laquelle la CAG répond
aux variations de puissance du signal. Si elle est réglée trop rapide, les signaux manipulés très rapidement (par
exemple la CW) ou les transitoires de bruit se traduiront par de grandes variations déconcertantes du niveau de
gain du récepteur. Si elle est réglée trop lente, le récepteur pourrait tout aussi bien ne pas avoir de CAG. De
nombreux récepteurs possèdent deux niveaux (voire plus) pour s'adapter aux différents types de signaux.
Examinons à présent ce qui a le plus d'importance aux yeux des spécialistes et que doit posséder tout
récepteur travaillant dans des bandes encombrées ou dans un milieu hautement perturbé par les parasites
électromagnétiques (EMI, de Electro-Magnetic Interference) : les qualités dynamiques. Elles comprennent la
distorsion d'intermodulation, le point de compression à -1 dB, le point d'intersection du troisième ordre et la
désensibilisation.
9.5 Caractéristiques dynamiques
Les caractéristiques dynamiques d'un récepteur radio sont celles qui nous informent sur la façon dont il
se comporte en présence de très forts signaux - soit sur le même canal, soit sur un canal voisin. Pour la majorité
des utilisateurs, et ceci jusqu'aux années 1960 environ, les caractéristiques dynamiques avaient moins
d'importance que les qualités statiques. Aujourd'hui cependant, les qualités dynamiques jouent un rôle
vraisemblablement plus critique que celui des qualités statiques; ceci provient de l'encombrement des bandes.
Il existe au moins deux raisons à cette nouvelle vision des choses. La première est liée, au cours des
années 1960, à l'évolution de la réalisation des récepteurs, des tubes vers les semi-conducteurs. Les nouveaux
amplificateurs à semi-conducteurs entrent plus rapidement en régime non linéaire que des réalisations à tubes.
La seconde raison est due au fait qu'il s'est produit un accroissement phénoménal du nombre de signaux HF
émis. Il y a bien plus de stations d'émission qu'il n'y en a jamais eu, et également bien plus de sources de
parasites électromagnétiques que dans les décennies précédentes (EMI). La situation ne peut qu'empirer à cause
de l'apparition et du déploiement de nouveaux services radio destinés à un marché en perpétuelle expansion.
C'est pourquoi est-il nécessaire d'attacher une importance plus grande aujourd'hui que par le passé aux
caractéristiques dynamiques d'un récepteur.
Produits d'intermodulation
Pour comprendre les caractéristiques dynamiques d'un récepteur, il est nécessaire d'avoir des
connaissances sur les produits d'intermodulation (PI) et de savoir quel est leur impact sur le fonctionnement du
récepteur. Quand on mélange deux signaux, on obtient un certain nombre de produits dont les fréquences
respectent la relation suivante: mF1 ± nF2, où m et n sont soit des nombres entiers soit égaux à zéro. Le mélange
peut s'effectuer soit dans l'étage mélangeur situé dans les étages d'entrée du récepteur soit dans l'amplificateur
HF (ou dans n'importe quel préamplificateur extérieur à la carte utilisé en amont du récepteur) s'il est surattaqué
par un signal puissant.
Il est également
possible, en théorie, que la
corrosion des connexions de
l'antenne, ou même que des
bornes à vis rouillées d'une
antenne, soient à l'origine, dans
c
certains cas, de l'apparition de
produits d'intermodulation.
Certains prétendent même
qu'un tuyau de descente de
gouttière rouillé puisse être la
cause du rerayonnement de
Fig. 8 – Produites d’intermodulation des deuxième ordre, troisième ordre et
produits d'intermodulation. Ce
cinquième ordre.
10
ne sont là que des racontars sans fondement ( « Je connais un type dont le beau-frère du meilleur copain a
constaté que ... » ).
La figure 8 représente sous forme graphique les signaux parasites des produits d'intermodulation. Pour
des fréquences de signaux d'entrée données FI et F2, les principaux produits d'intermodulation sont:
Lorsqu'un amplificateur ou un récepteur est surattaqué, l'amplitude du produit du deuxième ordre du
signal de sortie croît comme le carré du niveau du signal d'entrée, et l'amplitude du produit du troisième ordre
comme le cube du niveau du signal d'entrée.
Considérons le cas où l'on mélange deux signaux HF de fréquence FI = 10 MHz et F2 = 15 MHz. Les
produits d'intermodulation du deuxième ordre se situent à 5 et 25 MHz; ceux du troisième ordre, à 5, 20, 35 et
40 MHz et ceux du cinquième ordre à 0, 25, 60 et 65 MHz. Si l'un quelconque de ces produits tombe dans la
bande passante du récepteur, il créera des problèmes. L'un d'eux se traduit par l'apparition de signaux «
fantômes» dont les fréquences sont celles des produits d'intermodulation. On constate souvent ce phénomène
lorsque deux signaux puissants (F1 et F2) affectent les étages d'entrée d'un récepteur, et que la fréquence de l'un
des produits d'intermodulation tombe très près de celle d'un signal que l'on veut recevoir. Par exemple, si le
récepteur est accordé sur 5 MHz, on entendra un signal provenant de la différence F1 - F2.
Un autre exemple est celui de la présence de signaux puissants dans la bande passante situés sur des
canaux voisins. Examinons le cas où le récepteur est accordé sur une station à 9610 kHz, en présence également
de signaux très puissants situés à 9600 kHz et 9605 kHz. Les produits d'intermodulation proches (situés dans la
bande passante) sont:
Il faut remarquer que l'un des produits du troisième ordre est situé sur la même fréquence que le signal
supposé recherché, et pourrait être à l'origine d'une interférence si son amplitude était suffisamment importante.
D'autres produits du troisième et du cinquième ordre sont susceptibles de se trouver dans la zone où il pourrait y
avoir des interférences, surtout si le récepteur est à large bande passante.
L'ordre des produits d'intermodulation va théoriquement jusqu'à l'infini, puisque ni « m » ni « n » ne
sont limités. Cependant, puisque tout ordre d'un produit d'intermodulation possède une amplitude de niveau
inférieure à celle de l'ordre précédent, seuls les produits du deuxième ordre, du troisième ordre et du cinquième
ordre sont en réalité d'une certaine importance. Dans la pratique, les feuilles de caractéristiques d'un récepteur
ne font état que des produits du troisième ordre.
11
Point de compression à - 1 dB
Un amplificateur fournit un
signal de sortie caractérisé par une
amplitude supérieure à celle du signal
d'entrée. La fonction de transfert d'un
amplificateur (ou de tout circuit doté
d'une sortie et d'une entrée) est le
rapport SORTIE / ENTRÉE ; ainsi
pour l'amplification en puissance de
l'amplificateur HF d'un récepteur, c'est
le rapport Ps/Pe (ou, en termes de
tension, Vs/Ve). Tout amplificateur
réel va saturer pour un signal d'entrée
suffisamment puissant (voir la figure
9). Le tracé en traits pointillés
représente le niveau de sortie théorique
en fonction des valeurs du signal
d'entrée (la pente du tracé représente le
gain de l'amplificateur). Cependant
Fig. 9 – Phénomène du point de compression à –1 dB.
lorsque l'amplificateur sature (ligne en
trait plein), la valeur du gain réel commence à s'écarter de la valeur théorique pour un niveau donné du signal
d'entrée (Pe1). Le point de compression à -1 dB correspond à ce niveau de sortie pour lequel le gain réel s'écarte
du gain théorique d'une valeur de -1 dB.
Le point de compression à -1 dB est important lorsque l'on considère l'emploi d'un éventuel
amplificateur HF en amont du mélangeur, ou de tout autre préamplificateur extérieur à la carte. Il correspond au
point à partir duquel les produits d'intermodulation commencent à poser un sérieux problème. Lorsqu'un
amplificateur commence à saturer, des harmoniques apparaissent. Un signal sinusoïdal est « pur» parce qu'il n'a
pas de fréquences harmoniques (toutes les autres formes d'onde sont caractérisées par la présence
d'harmoniques en plus de la fréquence fondamentale). Des fréquences harmoniques apparaissent aussi
néanmoins sur un signal sinusoïdal dès qu'il subit une distorsion. Du phénomène de saturation il résulte une
distorsion du signal par écrêtage des pics et donc une apparition de fréquences harmoniques ainsi que de
produits de distorsion d'intermodulation.
9.6 Point d'intersection du troisième ordre
On peut affirmer que le point d'intersection du
troisième ordre (PIT) est la seule donnée qui soit
vraiment importante parmi les caractéristiques
dynamiques d'un récepteur ; elle permet de prévoir la
qualité du matériel en fonction de l'intermodulation, de
la transmodulation et de la désensibilisation du
récepteur.
Fig. 10 – Les produits d’intermodulation émergent du
bruit lorsque l’amplitude du signal augmente
Les produits d'intermodulation (PI) du troisième
ordre (ou d'un ordre plus élevé) ont normalement une
amplitude très faible, qui n'excède pas le seuil de bruit
d'un récepteur en fonctionnement linéaire. Au fur et à
mesure que le niveau du signal d'entrée augmente, les
étages d'entrée du récepteur entrent dans un domaine
non linéaire d'amplification, les produits
d'intermodulation émergent du bruit (figure 10) et
commencent à créer des problèmes. C'est alors
qu'apparaissent de nouveaux signaux parasites sur la
bande et que surgissent des interférences engendrées
par le récepteur lui-même.
12
La figure 11 représente la courbe du signal de
sortie en fonction du signal d'entrée à la fréquence
fondamentale. Remarquez l'effet de saturation du signal
de sortie que nous avons vu précédemment à la figure
9-17. La ligne pointillée, correspondant au gain, et qui
se poursuit au-delà de la zone de saturation montre
quelle serait la valeur de l'amplitude théorique de sortie
si le gain ne la limitait pas. Les produits du troisième
ordre présents dans le signal de sortie vont émerger du
bruit pour un niveau du signal d'entrée déterminé, et
croître comme le cube de l'amplitude du niveau
d'entrée. Ainsi la pente du tracé du troisième ordre croît
de 3 dB chaque fois que la réponse du signal à la
fréquence fondamentale croît de 1 dB. Le niveau de
sortie du produit du troisième ordre sature de la même
façon que celle du signal à la fréquence fondamentale ;
mais rien ne nous empêche de continuer le tracé du gain
jusqu'au point où il coupe celui du gain correspondant
Fig. 11 – Point d’intersection du troisième ordre (PIT).
au signal à la fréquence fondamentale. C'est ce point
que l'on appelle point d'intersection du troisième ordre (PIT).
Notez que l'emploi d'un atténuateur dans les étages d'entrée (ou atténuateur d'entrée) d'un récepteur peut
contribuer à réduire le niveau des produits d'intermodulation jusqu'à un niveau inférieur à celui du bruit. Une
atténuation du signal d'entrée de quelques décibels est souvent suffisante pour faire tomber les produits
d'intermodulation dans le bruit, malgré le léger affaiblissement subi par les signaux que l'on souhaite recevoir.
Toute autre action qui vise à réduire la surcharge provoquée par un signal puissant est aussi bénéfique.
On a vu le cas où les résultats, face aux produits du troisième ordre d'un récepteur, s'amélioraient de façon
spectaculaire grâce à l'utilisation d'une antenne à gain plus faible. Dans de nombreux cas, on obtiendra le même
effet en modifiant l'orientation d'une antenne directive par rapport à la direction du signal qui interfère.
Les préamplificateurs font partie de la panoplie à la mode des accessoires d'un récepteur; cependant, au
lieu d'améliorer les qualités d'un récepteur, ils les détériorent fréquemment. Généralement, deux problèmes
surviennent (en supposant qu'il s'agisse d'un préamplificateur à faible bruit, parce que si ce n'est pas le cas, il y
en a trois). Le problème le plus connu vient du fait que le préamplificateur amplifie autant le bruit que les
signaux, donc si le signal est plus fort, le bruit l'est aussi dans les mêmes proportions. Puisque la valeur du
rapport S/B est élevée, il n'est pas possible d'améliorer la situation. En effet, si le préamplificateur est lui-même
bruyant, il va détériorer le rapport S/B. L'autre problème possible est bien moins connu, mais ses conséquences
n'en sont que plus dévastatrices. Quand la réponse d'un récepteur perd sa linéarité du fait du niveau excessif des
signaux d'entrée, il apparaît également des produits d'intermodulation, et il arrive que l’on puisse entende une
émission puissante sur plusieurs fréquences dans la bande la bande. Il s'agissait évidemment du cas d'un
préamplificateur qui bousillait les qualités d'un récepteur au lieu de les améliorer.
Lorsqu'on évalue un récepteur, un PIT de +5 à +20 dBm correspond à une excellente valeur; aller
jusqu'à + 27 dBm est relativement facile à obtenir, et obtenir + 35 dBm relève d'une bonne conception ; toute
valeur supérieure à + 50 dBm relève du miracle (mais on peut y arriver). On considère que les récepteurs sont
bons lorsque le PIT est compris entre 0 à +5 dBm, et de qualité moyenne entre -10 à 0 dBm. Tout récepteur au
PIT inférieur à -10 dBm est médiocre. En conclusion, parmi les récepteurs qui sont à portée de votre bourse,
choisissez celui qui aura le meilleur point d'intersection du troisième ordre, surtout au voisinage de stations
puissantes.
9.7 Dynamique
La dynamique d'un récepteur radio est la largeur de l'intervalle de variation compris entre le signal
minimal détectable et le signal maximal admissible (mesurée en décibels, dB). Cette définition simpliste, facile
à comprendre globalement, cache cependant une relative complexité de mise en œuvre. Il existe plusieurs
définitions de la dynamique (Dyer 1993).
L'une des définitions de la dynamique est la suivante: il s'agit de la différence d'amplitude du signal
d'entrée entre l'indice de sensibilité (par exemple 0,5 µ V pour un rapport S + B / B de 10 dB) et le niveau
auquel le récepteur sature assez pour obtenir en sortie une distorsion donnée. À une certaine époque, on utilisait
fréquemment cette définition pour les récepteurs grand public de la bande de radiodiffusion (et en particulier
13
pour les postes autoradios, car la dynamique était une caractéristique très importante du fait de la mobilité du
récepteur). Il en découle une relation qui considère l'intervalle comme étant la distance exprimée en décibels
entre le niveau de sensibilité et le point de compression à -1 dB. Voici une autre défInition : la dynamique de
blocage est l'intervalle entre le niveau de sensibilité et le niveau de blocage ou désensibilisation (voir cidessous).
Le problème lié à ces défInitions vient du fait qu'elles ne concernent que le cas de signaux purs, et ne
s'adressent donc pas aux caractéristiques dynamiques du récepteur. Deux défInitions sont proposées: l'une
«vague» et l'autre plus explicite, plus pratique, et qui a le mérite d'être normalisée. La défInition vague dit que
l'intervalle dynamique est l'intervalle des signaux dans lequel les caractéristiques dynamiques (par exemple
l'intermodulation, etc.) n'excèdent pas le seuil de bruit du récepteur. Pour les récepteurs HF, la défInition
suivante est recommandée: la dynamique est égale aux deux-tiers de la différence entre le seuil de bruit et le
point d'intersection du troisième ordre dans une largeur de bande de 3 kHz. Une autre défInition est également
proposée: la dynamique est égale à la différence entre le niveau de la réponse du signal d'entrée à la fréquence
fondamentale et le point d'intersection du troisième ordre sur le seuil de bruit, la mesure étant effectuée avec
une largeur de bande de 3 kHz. Quelquefois pour des raisons pratiques on n'effectue pas la mesure sur le seuil
de bruit réel (qu'il est parfois difficile de connaître), mais plutôt à 3 dB au-dessus.
Pour la mesure, il est possible de procéder comme suit; deux signaux d'amplitude égale attaquent
simultanément le récepteur. Leur différence de fréquence a été généralement fixée à 20 kHz pour les récepteurs
HF et de 35 à 50 kHz pour les récepteurs VHF (on pourrait être amené, à cause de l'encombrement actuel des
bandes, à utiliser une spécifIcation de 5 kHz pour les bandes HF). On augmente ensuite l'amplitude de ces
signaux jusqu'à ce que les produits de distorsion du troisième ordre atteignent le niveau du seuil de bruit.
Avec la méthode des deux signaux et un espacement de 20 kHz, toute valeur supérieure à 90 dB dénote
un excellent récepteur ; toute valeur supérieure à 80 dB est pour le moins correcte.
La différence entre la méthode du signal pur et la méthode des deux signaux n'est pas seulement le fruit
d'un exercice académique. Un même récepteur présentera entre ces deux types de mesure jusqu'à 40 dB de
différence (à l'avantage de la méthode du signal unique) ; de plus, de mauvaises valeurs de la dynamique en
disent long sur l'ensemble des qualités dynamiques.
Blocage ou désensibilisation
La caractéristique de blocage concerne la capacité qu'a le récepteur de résister à des signaux puissants
situés hors bande à plus de 20 kHz (Dyer) du signal « recherché» ; d'autres auteurs préfèrent des intervalles de
100 kHz (Magne et Sherwood). Lorsque des signaux très puissants sont présents à l'entrée d'un récepteur, ils
peuvent le rendre moins sensible (ou le désensibiliser, c'est-à-dire réduire la puissance apparente des signaux
recherchés par rapport à ce qu'elle devrait être en l'absence de signaux perturbateurs).
La figure 12 représente le phénomène du
blocage. En présence d'un signal puissant, les
ressources du récepteur sont bien plus utilisées et la
réserve de puissance en sortie est insuffisante pour
traiter les signaux recherchés qui sont plus faibles. Par
contre si le signal puissant indésirable est bloqué, les
signaux plus faibles bénéficieront alors de toute la
réserve de puissance de l'appareil. Lors de l'apparition
d'un signal puissant (qui n'est pas le signal syntonisé),
le récepteur semble perdre brusquement sa sensibilité:
le signal faible que l'on écoutait diminue fortement ou
disparaît subitement dans le bruit.
La méthode habituelle pour mesurer le blocage
consiste à introduire deux signaux, l'un est le signal «
recherché », d'amplitude 60 dBµV, et l'autre a un
niveau bien plus élevé et une fréquence située à 20 kHz
(ou 100 kHz) du premier. On augmente le niveau du
Fig. 12 – Le phénomène du « blocage » ou de la
signal fort jusqu'à ce que le phénomène de
« désensibilisation »
désensibilisation fasse chuter de 3 dB le niveau de
sortie du signal recherché. Un bon récepteur présente une valeur ≥ 90 dBµV, beaucoup d'autres sont nettement
meilleurs. Il est intéressant de remarquer que les récepteurs modernes ont une caractéristique de blocage
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tellement bonne qu'il est souvent nécessaire de spécifier la différence de niveau d'entrée (exprimée en décibels)
qui produit une chute de l'amplitude du signal recherché de 1 dB plutôt que de 3 dB.
Ce phénomène a une conséquence que l'on considère souvent de prime abord comme paradoxale. De
nombreux récepteurs sont équipés d'atténuateurs d'entrée qui ont des valeurs fixes de 1 dB, 3 dB, 6 dB, 12 dB,
ou 20 dB (ou quelque chose d'équivalent) que l'on peut insérer en amont des étages d'amplification. En présence
d'un signal puissant, susceptible de provoquer la désensibilisation, le fait d'ajouter une atténuation accroît
souvent le niveau de sortie des signaux recherchés - même si le gain total est réduit. C'est parce que le niveau
du signal global, qui doit être traité par les étages d'entrée du récepteur, se situe sous le seuil auquel se produit
le phénomène de désensibilisation.
Transmodulation
La transmodulation est le phénomène par lequel la modulation d'amplitude (AM) d'un signal puissant
indésirable se retrouve dans un signal plus faible. Le test se fait habituellement (pour les récepteurs HF) avec
les paramètres suivants : un intervalle entre le signal indésirable et le signal recherché de 20 kHz, une largeur de
bande FI du récepteur égale à 3 kHz et le signal recherché d'amplitude 1000 µV (-53 dBm). Le signal
indésirable (situé à 20 kHz) est modulé en amplitude avec un taux de modulation égal à 30%. On accroît la
puissance de ce signal AM indésirable jusqu'à la création d'un signal de sortie AM indésirable d'une amplitude
égale à 20 dB sous celle du signal recherché.
On peut considérer qu'une caractéristique de transmodulation ≥ 100 dB est correcte. Dans le cas des
récepteurs HF modernes, on omet souvent ce chiffre, parce que si le récepteur possède un bon point
d'intersection du troisième ordre, il y a aussi de fortes chances pour qu'il ait une bonne caractéristique de
transmodulation.
On raconte qu'il peut également se produire une transmodulation naturelle - en particulier sur les trajets
polaires ou sur l'extrême nord de l'Atlantique des ondes radios, là où les aurores boréales sont fréquentes. Selon
une légende (peut-être apocryphe) on a découvert dans les années 1930 un phénomène que l'on a appelé l'effet
Radio Luxembourg. Une modulation provenant de stations de radiodiffusion très puissantes apparaissait sur le
signal de Radio Luxembourg capté en Amérique du nord. Il se disait qu'il s'agissait d'un phénomène de
transmodulation ionosphérique !!
Mélange réciproque
Le mélange réciproque se produit lorsque les bandes latérales de bruit du signal issu de l'oscillateur
local (OL) d'un récepteur superhétérodyne se mélangent à un signal puissant indésirable proche du signal
recherché. Tout signal issu d'un oscillateur est entaché de bruit, et ce bruit a tendance à moduler en amplitude le
signal de sortie de cet oscillateur. Il se forme alors de part et d'autre du signal de l'OL des bandes latérales. Tout
OL produit un bruit de phase (cela est bien connu), mais, dans les réalisations les plus récentes, les OL à
synthèse de fréquence numérique sont enclins à rajouter du bruit. On mesure habituellement ce bruit en -dBc
(décibels sous la porteuse, ou, dans ce cas, décibels sous le niveau de sortie de l'OL).
Fig. 13 – Phénomènes de mélanges réciproques :
A) oscillateur local avec bandes de bruit, signal syntonisé et
signal indésirable ;
B) Transfert d’une partie du signal indésirable dans la bande
passante de la FI.
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Dans un récepteur superhétérodyne
l'OL bat avec le signal recherché pour
produire une fréquence intermédiaire (FI)
égale soit à la somme des fréquences (OL +
HF) soit à leur différence (OL - HF). En
présence d'un signal puissant indésirable, il
pourrait y avoir un mélange avec les bandes
latérales de bruit de l'OL et on retrouverait
alors un spectre atténué du signal indésirable
dans la bande passante de la FI (voir la figure
13). Dans le déroulement classique d'un test,
le mélange réciproque est défini comme étant
le niveau (exprimé en dBc) du signal
indésirable, situé à 20 kHz, requis pour
produire des bandes latérales de bruit dont le
niveau d'amplitude est à 20 dB sous celui du
signal FI recherché, dans une largeur de bande
spécifiée (généralement 3 kHz pour les
récepteurs HF). On considère qu'une valeur égale à 90 dBc ou plus est bonne.
La caractéristique de mélange réciproque est importante parce qu'elle peut sérieusement détériorer la
sélectivité observée du récepteur; on ne peut cependant pas l'évaluer dans le cadre des caractéristiques statiques
ordinaires (c'est un problème lié à la « sélectivité dynamique »). Lorsque les bandes latérales de bruit de l'OL
provoquent l'apparition de signaux indésirables dans la bande de la FI, l'atténuation de fréquence éloignée
(excentrage de plus de 20 kHz d'un filtre de largeur de bande égale à 3 kHz) peut être détériorée de 20 à 40 dB.
On peut améliorer la caractéristique de mélange réciproque d'un récepteur par l'élimination du bruit dans
l'oscillateur local. C'est facile à dire, mais beaucoup moins facile à obtenir. Une tactique qui sera utile, au moins
pour ceux qui conçoivent leur propre récepteur, consiste à ajouter un filtre à facteur de qualité Q élevé entre la
sortie de l'OL et l'entrée du changeur de fréquence. La largeur de bande étroite d'un filtre à facteur de qualité Q
élevé empêche les bandes latérales de bruit excessives d'atteindre le changeur de fréquence. Cette solution
semble simple, mais c'est sa mise au point qui risque d'être très délicate.
9.8 Autres caractéristiques importantes Réjection coupe bande des signaux parasites à la FI
Si deux signaux tombent dans la bande passante du récepteur, on risque de les entendre en même temps.
Ils vont également se mélanger dans l'étage détecteur et produire un signal sonore de fréquence égale à
la différence de fréquence de leur porteuse. Supposons par exemple que nous ayons un récepteur AM avec une
largeur de bande égale à 5 kHz et une FI égale à 455 kHz. Si deux signaux apparaissent dans la bande de telle
sorte que l'un ait une FI de 456 kHz, et l'autre une FI de 454 kHz, ils se trouvent alors tous deux dans la bande
passante du récepteur, et on les entendra en sortie. Cependant, la différence de fréquence de leur porteuse égale
à 2 kHz produira en sortie du détecteur AM un signal sonore de différence par hétérodynage de 2 kHz.
Dans certains récepteurs, on trouve un filtre coupe bande accordable à bande étroite et à facteur de
qualité Q élevé (c'est un filtre à réponse étroite et profonde) dans l'étage d'amplification FI. On peut insérer ce
filtre accord able et le régler pour atténuer le signal perturbateur indésirable afin de réduire ce sifflement
agaçant produit par hétérodynage involontaire. Pour les bons récepteurs, les valeurs d'atténuation sont
comprises entre -35 et -65 dB (plus cette valeur est négative, mieux c'est).
Pour concevoir un filtre coupe bande à bande étroite, il faut accepter certains compromis. Tout d'abord
on réalise plus facilement un filtre coupe bande à bande étroite à facteur de qualité Q élevé pour des fréquences
FI basses (allant de 50 kHz à 500 kHz) que pour des fréquences FI élevées (par exemple à 9 MHz et pour des
valeurs supérieures). Ensuite plus le facteur de qualité Q est élevé, meilleure est l'atténuation du signal
indésirable, mais plus l'accord devient délicat. C'est là qu'il faudra du doigté pour naviguer entre un sifflement
irritant et un accord délicat.
Dans certains récepteurs on préfère l'utilisation de filtres basses fréquences à celle de filtres FI pour
réduire le sifflement hétérodyne. L'intervalle typique entre canaux dans la bande de radiodiffusion AM est de
10 kHz (N.d.T. : aux États-Unis) et la largeur de bande des basses fréquences transmises est de 5 kHz (dans
chaque bande latérale). Les réalisateurs de récepteurs AM de radiodiffusion insèrent généralement un filtre
passe-bas RC avec point à -3 dB situé à environ 4 ou 5 kHz immédiatement après le détecteur pour supprimer le
mélange à 10 kHz. Dans le jargon, on appelle cela un filtre « anti-canaris ».
Une autre approche basse fréquence consiste à limiter radicalement la bande passante des amplificateurs
BF. Dans le cadre de la réception d'émetteurs de radiodiffusion AM, une bande passante de 5 kHz suffit ; ainsi
les fréquences plus élevées sont très rapidement et fortement atténuées et ne produisent qu'une réponse faible
une octave plus haut (10 kHz). Dans les récepteurs pour ondes courtes, cette possibilité est plus limitée parce
que les canaux des stations sont normalement espacés de 5 kHz; les fréquences des canaux officiels ne sont pas
toujours respectées et malheureusement, certains radioamateurs (indignes de leur indicatif) ne se préoccupent
guère de « maintenir la distance » avec les fréquences qu'ils reçoivent de part et d'autre de leur propre fréquence
d'émission, qui est essentiellement (et continûment) variable puisque pilotée par un VFO. Les bandes pour
ondes courtes ne nécessitent réellement qu'une largeur de bande de 3 kHz pour les télécommunications et 5 kHz
pour la radiodiffusion ; les solutions apportées par le filtre d'aigus ou la forte limitation de la bande du signal
basses fréquences peuvent se révéler insuffisantes. Dans les récepteurs dépourvus de filtre coupe bande FI
efficace, on peut mettre en œuvre un filtle coupe bande basses fréquences. De toute façon, une fois que vous
serez en possession de votre récepteur, vous pourrez toujours rajouter cet accessoire (extérieur, par exemple, sur
un petit circuit imprimé que vous installerez dans le récepteur, en amont du potentiomètre de volume).
Parasites internes
Tout récepteur produit un certain nombre de signaux parasites internes qui perturbent son
fonctionnement. Qu'un récepteur soit ancien ou moderne il aura à subir des signaux parasites dus à des produits
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de conversion d'ordre élevé, à des fréquences harmoniques issues de l'alimentation, à des oscillations parasites
et à un tas d'autres sources. Les récepteurs les plus récents, pourvus d'un oscillateur local synthétisé et/ou d'un
affichage numérique de la fréquence, sont une source abondante de bruits et de signaux parasites. (Nota: les
circuits numériques à faible consommation possèdent des temps de montée lents - CMOS, NMOS, etc. ; ils sont
bien plus propres que des circuits plus rapides aux temps de montée courts, comme les circuits TI'L).
Grâce à l'utilisation d'un filtrage et d'un blindage appropriés, il est possible de maintenir les « signaux
parasites » à un niveau égal à -100 dB par rapport à celui du signal principal maximal de sortie, ou à environ 3
dB du seuil de bruit, selon la mesure la plus favorable Cà la publicité du fabricant ... ). Un auteur d'ouvrages sur
les ondes courtes (ReIms 1994) possède plusieurs récepteurs professionnels, parmi lesquels on trouve des
récepteurs à tubes et des récepteurs modernes synthétisés. Le résultat de ses comparaisons de niveaux de
parasites et de bruit est surprenant. La conclusion qu'il en tirait était qu'un récepteur à tubes des années 1960
semblait avoir un seuil de bruit inférieur à celui des récepteurs les plus modernes. ReIms pensait que cette
différence de résultats était due aux parasites internes créés par les circuits numériques utilisés dans les
récepteurs modernes.
9.9 Comment améliorer un récepteur
Plusieurs solutions permettent d'améliorer les qualités d'un récepteur. Certaines peuvent être apportées
par le service après-vente du constructeur du récepteur, d'autres ne concernent que les personnes qui réalisent
elles-mêmes un nouveau récepteur.
L'une des méthodes pour se prémunir des effets dynamiques consiste à réduire le niveau du signal
appliqué à l'entrée d'un récepteur quelle que soit la fréquence. C'est là qu'un atténuateur placé dans les étages
d'entrée va nous être utile. De nombreux récepteurs modernes possèdent d'origine un atténuateur commutable
inclus dans les étages d'entrée. Cet atténuateur va agir sur le niveau de tous les signaux et atténuer le signal le
plus puissant en deçà du point de saturation; un certain nombre de problèmes dynamiques sera par conséquent
éliminé.
Une autre méthode consiste à faire en sorte que le signal le plus fort n'atteigne pas les étages d'entrée du
récepteur. On peut y arriver en utilisant en amont des étages d'entrée du récepteur l'un quelconque des
nombreux filtres suivants : filtre accordable, filtre passe- bande, filtre passe-haut ou filtre passe-bas (suivant le
cas). Ces filtres ne seront pas très utiles si les produits d'intermodulation tombent à proximité de la fréquence
recherchée, dans tous les cas ils ne peuvent pas nuire.
C'est dès la conception d'un récepteur qu'il faut tenir compte de certains points. Si l'on utilise un
amplificateur HF, il vaut mieux employer soit des transistors à effet de champ (les MOSFETs sont à la mode)
soit des transistors bipolaires (NPN ou PNP) de puissance modérée destinés aux applications de télévision par
câble, comme le 2N5109 ou le MRF 586. Le gain de l'amplificateur HF doit être minimal (de 4 à 8 dB). Il est
également intéressant de concevoir l'amplificateur HF avec une tension d'alimentation aussi élevée que
possible. On dispose ainsi d'une certaine « réserve » lorsque le signal d'entrée devient plus fort.
N.d.T. : Une tension d'alimentation « élevée» permet surtout d'accroître la tension des jonctions polarisées en
inverse (C-B ou D-G), donc de réduire leurs capacités parasites et d'augmenter de la sorte la bande passante des
étages de préamplification.
On peut aussi envisager de supprimer purement et simplement l'amplificateur HF. Il existe une
philosophie qui affirme que pour concevoir un récepteur on devrait utiliser un changeur de fréquence à grande
dynamique avec uniquement des filtres accordés ou à bande passante fixe et inférieure à l'octave, situés entre la
prise d'antenne et l'entrée HF du changeur de fréquence. En appliquant cette méthode, on peut obtenir des
valeurs d'indice de bruit de l'ordre de 10 dB, ce qui est suffisant pour travailler en HF (mais limite en VHF ou
pour des fréquences supérieures).
Si l'on envisage de réaliser un récepteur, il faut que le changeur de fréquence soit à dynamique élevée
sans tenir compte de la présence éventuelle d'un amplificateur HF. Certains réalisateurs préfèrent les
mélangeurs symétriques doubles à commutation (Makhinson 1993). Certaines réalisations personnelles sont
construites à partir de transistors MOSFET et de commutateurs numériques MOS, mais il existe sur le marché
quelques versions en circuits intégrés qui réalisent la fonction de changeur de fréquence à commutation
MOSFET. Si vous choisissez des mélangeurs à diodes, consultez une source, comme Mini-Circuits (1992), qui
vous fournira des informations sur les mélangeurs symétriques doubles qui fonctionnent jusqu'à des niveaux HF
de + 20 dBm.
Bibiographie : Réception des HAUTES FREQUEBCES – par Joseph J.Carr – Publitronic-Elektor
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