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Technique - Le récepteur
Constitution des récepteurs


Nous allons voir dans ce chapitre comment, à partir de blocs fonctionnels simples, sont constitués les récepteurs. La démodulation a déjà été traitée à l'occasion de l'étude des modulations.
Qu'est -ce qu'un récepteur ?

En simplifiant voire en caricaturant, on pourrait dire que ce n'est qu'un amplificateur, un gros amplificateur certes mais un amplificateur tout de même. Car les signaux qui sont à traiter sont d'amplitudes extrêmement faibles. Un signal de 10 µV, ce qui en valeur absolue n'est tout de même pas conséquent va produire un signal basse fréquence dans le haut-parleur très confortable.
Pour parvenir à ce résultat, il va falloir le traiter. Le traitement va consister à l'amplifier d'une valeur d'une centaine de dB. Bien sur on va lui faire subir d'autres traitements pour la commodité de la chose et pour assurer une réception correcte. Nous allons changer sa fréquence initiale, puis nous extrairons l'information de ce signal, ce sera l'étape de démodulation. A ce stade nous amplifierons de nouveau de manière à fournir un peu de puissance au haut-parleur.

Les récepteurs sont plus ou moins tous bâtis sur le même modèle, les différences se manifestent essentiellement au niveau de la détection. Nous allons introduire le concept de récepteur superhétérodyne
Le récepteur superhétérodyne 

Voici le schéma synoptique d'un récepteur superhétérodyne. Nous allons détailler chaque bloc et étudier la fonction réalisée, mais avant cela examinons, à partir du schéma ci-dessus, le parcours du signal.
Le signal reçu sur l'antenne va entrer dans le préamplificateur où il sera amplifié de 10 à 15 dB. Son passage dans le filtre l'atténuera de 6 dB et il sera routé vers le mélangeur. Supposons que le mélangeur soit du type passif à diodes comme nous l'avons déjà vu, l'atténuation sera ici d'une dizaine de dB. Le signal en sortie du mélangeur sera ensuite envoyé à des étages d'amplification dits de Fréquence Intermédiaire. Ici nous avons besoin de beaucoup d'amplification, de l'ordre de 50 à 60 dB voire plus avant la détection qui peut atténuer ici aussi d'une dizaine de dB selon le type de détecteur utilisé. Le signal à ce stade sera de type BF et sera à nouveau amplifié.
Le préamplificateur d'entrée :

Précision importante, sa présence est loin d'être indispensable sur les bandes basses décamétriques. Au dessus de 10 MHz son utilité croît.
Le filtre que nous allons utiliser a des pertes et il peut sembler opportun de les compenser, c'est également vrai pour le mélangeur. Hélas un préamplificateur HF peut apporter plus de désagréments que d'avantages plus particulièrement s'il sature le mélangeur ou si son comportement en présence de nombreux et forts signaux fait qu'il produit des signaux n'existant pas (intermodulation). Nous le verrons plus tard mais du fait du bruit sur les bandes basses, un récepteur sensible ne sert à rien sinon à détecter du bruit.
Dans ce synoptique le préamplificateur est placé avant le filtre, on retrouve d'autres configurations dans lesquelles il est placé après filtrage.


Les filtres :

Nous les avons étudiés. Le spectre électromagnétique est rempli de puissants signaux, plus particulièrement dans le domaine des VHF et il faut s'en protéger en les atténuant le plus possible. L'idéal serait de pouvoir créer une fenêtre ou l'atténuation serait la plus basse possible et qui laisserait passer uniquement la bande amateur souhaitée. De tels filtres sont réalisables par un amateur mais totalement inimaginables industriellement par un constructeur du fait des coûts de fabrication.
Les filtres ont une autre utilité que nous allons voir au chapitre FI, il nous aident à éliminer la réponse sur la fréquence image, nous aurons l'occasion d'y revenir longuement car c'est leur plus grand mérite.

Le mélangeur :

Encore un élément que nous avons ausculté par le menu. Nous allons en utiliser pour ce récepteur dit superhétérodyne, principe qu'on attribue au professeur Lévy , inventeur, entres autres de la célèbre antenne qui porte son nom. Bon vous le savez maintenant, pour mélanger il faut au moins deux ingrédients, en l'occurrence ici deux fréquences. L'un provient de l'antenne, c'est le signal que nous souhaitons démoduler, l'autre en revanche ne va pas être choisi au hasard...
Car et c'est là que le professeur Lévy entre en scène, derrière le mélangeur nous trouvons le bloc fonctionnel repéré par FI (fréquence intermédiaire). Et ces étages sont des étages d'amplification sur une seule et même bande de fréquences. J'imagine votre désarroi, parce que vous quand vous tournez le gros bouton de votre récepteur vous entendez une foultitude de stations et vous êtes en train de vous demander comment on peut en recevoir tant en amplifiant qu'une seule fréquence. C'est pourquoi notre fréquence d'OL (oscillateur local) n'est pas choisie pifométriquement mais doit répondre à un critère bien précis.
Si notre ampli FI est fixe, il faut faire en sorte  qu'après mélange du signal incident (celui qui arrive sur l'antenne) et de l'OL, la somme ou la différence soit constante et égale à la bande de fréquence amplifiée par l'ampli FI. C'est compliqué, voyons avec un exemple numérique.
  • La fréquence FI est de 9 MHz
  • Le signal incident est de 7,075 MHz
Notre contrainte est que Fin + OL = 9 MHz ou
Fin - OL = 9 MHz.
Ceci va nous permettre de calculer la fréquence de notre OL.
OL= Fin + FI    soit  OL= 7,075 + 9 + 16,075
OL= Fin - FI   soit OL = 7,075 - 9 = 1,925 MHz
Et pour changer de station, comment faisons nous, êtes-vous en droit de vous demander ?
C'est simple, il suffit de faire varier la fréquence de l'oscillateur local. A chaque fois que la somme ou la différence entre OL et Fin (signal incident reçu par l'antenne) tombera sur 9 MHz (valeur de la FI également appelée Moyenne Fréquence), celle-ci sera amplifiée et démodulée.
Tel est le principe du récepteur superhétérodyne, tous les signaux sont convertis ou transposés comme vous voulez sur une seule et unique bande de fréquence appelée MF ou FI. L'avantage maintenant est que nous pouvons amplifier et filtrer tous nos signaux sur une seule fréquence.

L'oscillateur local, OL :

Pour les besoins de l'explication, il n'y a qu'un seul bloc noté OL qui soit représenté. Dans la réalité, comme le signal sorti doit être variable, on a recours à des systèmes à mélange comme par exemple un oscillateur variable appelé VFO (Variable Frequency Oscillator) qui est mélangé à un oscillateur à quartz fixe. Même les systèmes à synthèse de fréquence utilisent à un moment ou à un autre un mélange.
Car la difficulté est de réaliser un oscillateur variable stable sur des fréquence élevées. L'astuce consiste donc à utiliser un VFO sur une fréquence relativement basse ou la stabilité est bonne et à le mélanger avec un oscillateur à quartz.
La qualité du récepteur dépend grandement de la pureté spectrale de l'OL.  Nous verrons cela graphiquement dans le chapitre consacré au bruit.

crx2.gif (1632 octets)


La fréquence intermédiaire FI (IF en anglais)  ou moyenne fréquence MF:

Elément clé du récepteur, c'est elle qui apporte et le maximum de gain et la sélectivité au récepteur plus quelques autres gadgets comme le CAG (contrôle automatique de gain), le s-mètre etc.

La sélectivité :

C'est ici que l'on va agir pour l'obtenir et c'est ici naturellement que viendra s'insérer le filtre à quartz de manière à ne laisser passer le signal qu'avec une bande passante aussi étroite que possible (2,4 kHz à -6dB pour un filtre à quartz standard). Une bonne pratique quoi qu' onéreuse consiste à mettre un second filtre à quartz en sortie de FI de manière à supprimer le bruit large bande généré par l'amplification FI. On peut à cet endroit commuter des filtres de manière à soit élargir la bande passante soit plus souvent la rétrécir (cas des filtres 500 Hz ou 250 Hz pour la CW).
Le gain :

Nous l'avons dit en moyenne 80dB ce qui demande quand même des étages stables (sans oscillation). A l'entrée de la platine FI, un circuit accordé est chargé de recueillir le signal sur la bonne fréquence en l'occurrence 9 MHz dans notre exemple. Les étages d'amplification suivants peuvent être accordées (circuits résonnants //) ou apériodiques (sans fréquence d'accord précise).
Le s-mètre :

Voilà un truc qui fait couler de l'encre ! Il est censé indiquer la puissance des signaux reçus sur une échelle logarithmique graduée en point "S", chaque point valant 6dB. (donc gagner un point équivaut à recevoir à chaque fois un signal 4 fois plus puissant). Cette mesure n'a rien  de scientifique puisque on se contente en général de mesurer la tension de CAG qui est proportionnelle à l'amplitude du signal. Insérez un préampli est tout est faux. N'utilisez cet instrument que pour des mesures comparatives et relatives...
Le CAG:

On l'appelle Commande Automatique de Gain ou Contrôle Automatique du Gain, le deux termes sont usités. La dynamique càd l'écart qui sépare le signal le plus faible et le plus fort est très importante sur un récepteur. En balayant une bande de fréquence donnée, le volume sonore va considérablement changer entre stations faibles et stations fortes, ce qui sera très inconfortable d'où l'idée de réduire le gain des étages MF en présence de signaux forts et de le faire revenir à sa valeur maximale sur signaux faibles. Ceci est réalisé en transformant une partie du signal reçu en tension continue et en appliquant comme il convient aux amplis MF de manière à réduire l'amplification globale. Si en théorie cela paraît judicieux dans la pratique le CAG masque souvent des problèmes de qualité ou de conception des récepteurs.
L'horrible fréquence image :

Le moment est venu d'aborder ce problème, je parle de la fréquence image. Observez le schéma ci-dessous :
crx3.gif (1825 octets) C'est une partie de récepteur, nous avons un OL sur 10 MHz, des étages FI sur 4 MHz et une multitude de signaux présents à l'entrée du mélangeur. Quand nous avons un signal de 14 MHz présent sur l'entrée, celui-ci est mélangé avec l'Ol, la différence nous donne 4 MHz. Parfait c'est ce que nous voulions. La somme 14 + 10 est hors bande passante de la FI et ne nous pose pas problème.
En revanche nous constatons que si un signal de 6 MHz est également présent à l'entrée, il est mélangé avec le signal OL et que nous obtenons de nouveau 2 composantes qui sont 10 + 6 = 16 MHz donc là aussi hors bande passante FI et 10-6 = 4 MHz, et là en pleine bande passante FI. Catastrophe !
Nous allons recevoir le signal utile sur 14 MHz et un autre totalement indésiré qui est sur 6 MHz. Cela va provoquer une jolie cacophonie !
Ce problème est inhérent au superhétérodyne. Comment lutter ?
Simplement par les filtres d'entrée et vous mesurer que les calculs pour déterminer la bande passante des filtres n'est pas simple. L'autre méthode consiste à avoir une fréquence intermédiaire très élevée (le japonais adoptent 70 MHz) de manière à rejeter la fréquence image très très loin. Vous remarquerez que la fréquence image est toujours située à une valeur = 2 x FI. Il n'est pas interdit d'utiliser une FI haute et des bons filtres de bande en entrée.

La détection :

Maintenant que nous avons un signal puissant sur notre fréquence intermédiaire il ne nous reste plus qu'à extraire l'information qui y est contenue Ce processus fera appel à des montages différents en fonction du type de modulation du signal. Reportez-vous au chapitre modulation démodulation.

Préamplification et amplification BF :

C'est la partie souvent la plus mal traitée d'un récepteur comme si le concepteur-réalisateur épuisé par son oeuvre n'avait qu'une hâte : finir !
Pourtant après s'être donné tant de mal pour transposer, filtrer, produire des oscillateurs stables et propres, le moment n'est pas venu de se relâcher.
A cet endroit on trouve en général un étage de préamplification , parfois des filtres BF (souvent des filtres actifs réalisés à base d'amplificateurs opérationnel) et l'amplification de puissance qui est confiée à un circuit intégré spécialisé. Les récepteurs offrent une puissance BF comprise entre 2 et 5 W.
Nota : Nous venons d'étudier le récepteur superhétérodyne à simple conversion. Il fut un temps ou la mode de conception prescrivait un nombre important de changements de fréquences (3 était une valeur courante), aujourd'hui hormis chez le constructeurs japonais, on ne trouve plus guère cela

Le récepteur à conversion directe
Nous venons de voir le principe du superhétérodyne; il existe un autre principe dit de conversion directe dans lequel on n'utilise pas d'étages FI ni de filtre à quartz pour la détection de la SSB. Ce type de récepteur est extrêmement simple (et aussi performant) mais souffre d'un défaut liée à la fréquence image BF qui fait que l'on détecte les 2 bandes latérales d'un signal SSB ce qui peut être gênant dans une bande encombrée. La technique:

crx4.gif (2508 octets)

Vous le constatez, cela s'est fortement simplifié. Comme déjà dit, on trouve plusieurs configurations au niveau du préampli il peut être placé soit avant le filtre soit après mais l'intéressant n'est pas là.
Comme vous le constatez sur le schéma, l'ampli FI a disparu et l'OL se trouve sur une fréquence très voisine du signal incident. C'est la particularité du récepteur à conversion directe, l'OL est de même fréquence (ou sensiblement) que la fréquence à recevoir. Sur un RX à conversion directe la conversion se fait directement dans le domaine basse fréquence. Imaginons que nous recevions une porteuse pure sans modulation sur 7075 kHz, si nous plaçons notre OL sur 7074 kHz le "battement" (mélange) produira une note audible de 7075 - 7074 = 1 kHz.
Toute l'amplification (car il en faut) sera confiée à la BF ce qui n'est pas sans poser quelques problèmes. Un autre inconvénient de ce type de récepteur est que si nous plaçons l'OL maintenant sur 7076 kHz nous obtiendrons également une magnifique note à 1000 Hz. On détecte avec ce type de récepteur les 2 bandes latérales. Un autre inconvénient dû à la grande amplification BF est que le récepteur est souvent microphonique, le moindre petit choc mécanique se traduit par un clong dans la BF. Alors pourquoi le RX DC (direct conversion) est-il si intéressant ?

-  il est économique (pas de filtre à quartz, amplification uniquement BF)

-  il est simple

-  il est souvent exempt de distorsion et possède une grande dynamique, il fournit un signal limpide et clair.

Les récepteurs comportent un instrument de mesure censé indiquer la puissance du signal reçu. C'est très théorique car si cet instrument a la capacité de vous informer en valeurs relatives, il ne faut que très rarement se fier à ses indications en valeur absolues car un s-mètre ne fait que lire une tension de CAG.
L'IARU (international Amateur Radio Union) organisme amateur qui est un peu à l'émission d'amateur ce que l'AFNOR est à la normalisation française a edicté des règles concernant les niveaux reçus et l'indication du s-mètre Si votre appareil de mesure respecte celles-ci estimez-vous chanceux et n'oubliez pas 99% des reports en valeurs absolues sont pifométriques, n'allez pas vous imaginer des choses...
 
Valeur en point "S" Bandes décamétriques Bandes 144 MHz est >
dBm 50W tension/50W dBm 50W tension/50W
1 - 121 0,2 µV - 141 0,02 µV
2 - 115 0,4 µV - 135 0,04 µV
3 - 109 0,8 µV - 129 0,08 µV
4 - 103 1,6 µV  - 123  0,16 µV
5 - 97 3,15 µV - 117 0,315 µV
6 - 91 6,3 µV - 111 0,63 µV
7 - 85 12,5 µV - 105  1,25 µV
8 - 79 25 µV - 99 2,5 µV
9 - 73 50 µV - 93 5 µV
 
C'en est fini pour le récepteur, lisez le chapitre consacré au bruit et au point d'interception qui vous éclairera davantage sur ce que l'on est en droit d'attendre d'un récepteur. Ce chapitre vous permettra également de toucher du doigt que les exigences du "consommateur" n'ont presque de rien de compatibles avec celles du constructeur...