Le CODEUR   PPM  ( 1 )

Dans nos trois premiers articles, nous vous avons parlé des servo-mécanismes : leur principe, leurs qualités et défauts, leur test. Le "servo" est le maillon final de la chaîne RC.
Il doit être mis en oeuvre par les maillons antérieurs que nous vous proposons maintenant d'aborder.

Un servo est affecté à une action particulière, généralement une gouverne : un servo pour les ailerons, un pour la profondeur etc... En radiocommande proportionnelle, à chaque servo correspond une VOIE, celle-ci permettant d'obtenir en théorie, une infinité de positions, pratiquement ... un grand nombre de positions. Notons qu'en Tout ou Rien, chaque commande mobilise un CANAL. Ainsi, pour une gouverne nous utiliserons 2 canaux pour avoir 3 positions seulement, le neutre étant à retour automatique en absence d'ordre. Les systèmes T/R sont ainsi passés du MONOCANAL avec échappement aux MULTICANAUX avec servos électriques. Mais revenons au proportionnel. MRA4A1.jpg (17623 octets)

Si nous n'avions qu'une voie à transmettre du pilote au modèle, le problème de la RC
serait très simple:
- côté pilote, le générateur d'impulsions de voie, une sorte de servotest muni d'un manche
  actionné par ce pilote.
- côté cellule, le servo-mécanisme.
- entre les deux, un moyen de transmission de l'impulsion générée vers le servo.

a) Cela pourrait être un simple FIL conducteur aller/retour.   Voir Fig. 1.

La voiture téléguidée du petit dernier pourrait utiliser ce schéma. Solution très facile à
concrétiser : servotest d'un côté, avec sa propre batterie, servo-mécanisme de l'autre,
lui aussi avec sa batterie et un double conducteur pour le transport de l'impulsion, car il
ne faut pas l'oublier, le courant électrique ne peut circuler que dans un circuit fermé.

MRA4A2.jpg (24818 octets)
b) Cela pourrait être une fibre optique.     Voir Fig. 2

. L'information est alors convertie en lumière véhiculée par la fibre.
Pas besoin de retour cette fois. L'impulsion du servo-testeur rend le transistor T conducteur
et il y a émission de lumière pendant 1 à 2 ms.
Cette lumière parvient à la diode réceptrice qui devient conductrice, avec son anode passant à V+,
le transistor transmet ce niveau à basse impédance pour l'appliquer au servo-mécanisme.


c) Cela pourrait être une liaison RADIO à Haute Fréquence (HF)             Voir  Fig. 3
.MRA4A3.jpg (27214 octets)  
.



      Cette fois la conduction du transistor T par l'impulsion de voie provoque une émission HF.
  Celle-ci est captée par un récepteur ad-hoc qui la détecte, l'amplifie et finalement restitue une copie
  conforme de l'impulsion initiale. Dans cette figure l'émission HF dure 1 à 2 ms toutes les 20 ms.
  Si cette solution a le mérite d'une consommation minimale, elle présente l'inconvénient de laisser au
  récepteur, pendant 18 à 19 ms sur 20, la possibilité de capter au mieux les émissions parasites.
  On préfère donc la solution contraire : HF pendant 18 à 19 ms et silence radio pendant 1 à 2 ms.
  Cela s'obtient très facilement en ajoutant un transistor inverseur T', côté pilote, et si nécessaire côté
  servo. Concluons cet examen en signalant que cette alternance HF/silence a été très utilisée en RC
  sous le nom de AM ( Amplitude Modulation ) ce qui tout à fait impropre :
  Il s'agit de PM ( Pulse Modulation ). Nous y reviendrons plus tard.

CODAGE PPM.

Les lecteurs ne manqueront pas de remarquer la progressivité des montages A à C, qui nous amènent, avec C, à l'exacte configuration d'un système RC de type "AM", à UNE VOIE ! Les données pratiques accompagnant chaque montage en permettent la réalisation, ce que nous vous conseillons, partant du principe que l'on ne comprend bien qu'en pratiquant, en "touchant" !!

Un système de type C aurait fait le bonheur suprême des amateurs RC des années 1950 ! Pensez donc ! Une commande proportionnelle alors que l'on se contentait d'un échappement !

Mais de nos jours, nous sommes beaucoup plus exigeants : Il nous faut plusieurs voies. Au grand minimum DEUX ( voitures, bateaux, planeurs ... ) et si possible SEPT, HUIT, NEUF ... !
De plus, nous les voulons SIMULTANEES : Il faut pouvoir, à un moment donné, agir sur plusieurs gouvernes en même temps. Or, les montages A à C ne peuvent transmettre qu'une information.
Et c'est ici qu'apparaît le problème majeur de la RC : le CODAGE / DECODAGE.

S'il s'agissait du montage A, nous pourrions envisager la structure de la  Fig 4 ci-dessous

MRA4B1.jpg (21792 octets)        Quatre générateurs d'impulsions à commandes indépendantes et batterie commune sont reliés à quatre servos par
       4 conducteurs + retour.
       Cela se ferait très facilement avec la voiture téléguidée et un câble souple à plusieurs conducteurs. Une telle liaison où chaque signal est
        véhiculé sur un conducteur qui lui est propre est dite LIAISON PARALLELE. ( devinez pourquoi ! )
        De telles liaisons sont couramment employées quand la distance à parcourir n'est pas grande et quand le débit des informations
        doit être rapide. C'est le cas des BUS d'ordinateurs qui sont à 8, 16 voire 32 fils. C'est celui du cordon de l'imprimante.

        Notons que le schéma pourrait utiliser quatre fibres optiques ou quatre liaisons HF.
        Et c'est bien ce qui fut fait à l'époque héroïque de la RC, entre autres par un certain "De SOTO" : "... De SOTO alla plus loin :
        Ce furent 4 récepteurs qu'il installa dans un modèle de 4.35 m d'envergure, pesant 13 kilos ...
        -- Radio Control of Powered Models, par C.B De SOTO. QST d'octobre 1938.    
        Evidemment, ce que l'on ne pouvait pas faire autrement en 1938, ne se fera sûrement pas en 1998. ( Avez-vous remarqué
        que nos chers frimeurs de 90 n'ont pas inventé le Petit-Gros !! ) La liaison parallèle ne se fera pas en RC. Que faire alors ?
        Tout simplement de la LIAISON SERIE. C'est-à-dire celle de la souris de votre PC, celle du modem ...
        Puisque nous ne pouvons pas véhiculer SIMULTANEMENT plusieurs informations sur plusieurs fils, nous les transmettrons
        SUCCESSIVEMENT sur un seul fil ! Si nous faisons cela très vite, l'utilisateur sera berné et croira à la simultanéité !!
        Le schéma de la Fig 5 donne une idée simple pour y parvenir.
        Les quatre générateurs d'impulsions supposées MRA4B2.jpg (29160 octets)
        DECALEES dans le temps font conduire les transistors
        T1 à T4 à charge collecteur commune.
        Sans impulsion les  transistors sont bloqués et S = V+.
        Chaque impulsion fait passer S à 0 à son tour.
        La SEQUENCE ainsi générée se reproduit toutes les
                                                                                                        20 ms, soit 50 fois par seconde.    
Notons cependant que dans cette séquence, les temps Tp ménagés entre les temps utiles t1..t4, ne servent à rien et sont des
temps perdus. Cependant les supprimer consisterait à "coller" les 4 impulsions pour en faire une seule ... inutilisable. Fig 5b
  
 PPM = Pulse Position Modulation , c'est-à-dire codage par la position  relative des impulsions dans le temps.

MRA4B4.jpg (16110 octets) 




         Il fallut on ne sait quel petit génie pour trouver la
      solution . exposée en Fig. 6.
      Les quatre impulsions sont CONSECUTIVES
      ( Tp = 0 ),  elles ne sont pas mélangées comme en
      5b mais différenciées. Voir Fig. 6b.
      Seuls sont conservés les pics positifs qui marquent le
      DEBUT de l'impulsion. Ces pics sont alors mélangés
      et mis en forme pour donner des impulsions fines
      ce qui donne la fameuse séquence PPM que nous
      utilisons depuis 1966/68 sans la modifier !
MRA4B3.jpg (5830 octets)
      L'astuce était donc de ne pas transmettre les
      impulsions  de voies mais leurs points de séparation
      quand on les  rend consécutives.
      Examinons un peu cette séquence :

   - Les impulsions fines durent 300 µs environ, temps choisi pour une transmission HF facile et une bonne distinction
     des temps de voies.
   - Les temps de voies se mesurent d'impulsion à impulsion ( souvent de front avant à front avant ) : t1, t2 ...
   - Le nombre de voies transmises peut être en principe aussi grand que nécessaire, mais il sera limité par d'autres contraintes.      Voir plus  loin.
   - La distance entre deux impulsions de même repère ( de "1" à "1" par ex.) est la durée de séquence Ds
   - le temps séparant la dernière impulsion d'une séquence de la première de la suivante est le temps de synchronisation Tsy.    On a bien sûr : Tsy = Ds - ( t1 + t2 +t3 + t4 + .. )
    Ce temps est essentiel car il va permettre au décodeur la reconnaissance sûre de l'impulsion "1" du début de séquence.  Tsy doit donc être nettement plus grand que la durée maximale
    d'une voie ( 2 ms ) Il sera souvent de 7 à 8 ms.

           Deux solutions sont envisageables et ont été utilisées :
  - Ds constant. Par exemple 20 ms. Dans ce cas le temps Tsy varie avec la durée des temps de voies et leur nombre. C'était le cas des codeurs de 1ére génération
    .Voir plus loin le codeur à transistors. Le décodeur doit toujours pouvoir trouver "Tsy" malgré cette variation.

Ex : Ds = 20 ms T1=T2=T3=T4= 1 ms donnent Tsy = 16 ms
       T1=T2=T3=T4= 2 ms donnent Tsy = 12 ms
      Avec 8 voies à 2 ms, on aurait Tsy = 4 ms !!

- Tsy constant. Par exemple 8 ms. Cette fois le décodeur n'a pas de problème car c'est Ds qui varie en fonction des
   temps de voies et de leur nombre. ( Codeurs de 2ème .... génération )

Ex. En prenant des cas limites :
      Tsy = 8 ms T1 ... T4 = 1 ms donnent Ds = 12 ms
      T1 ... T8 = 2 ms donnent Ds = 24 ms

Dans les conditions de ces exemples, les servos recevront une information de position toutes les 12 ou 24 ms. Ce n'est pas sans importance :
- Sur la puissance des servos : En effet c'est l'impulsion de voie qui fixe la position du servo, chacune imposant sa correction. Plus ces impulsions sont distantes et plus on laisse de liberté au servo
. Conséquence, moins il y a d'impulsions par seconde et plus le servo perd précision et puissance sous la charge. Ceci permet de comprendre pourquoi il n'est pas possible d'augmenter à loisir le nombre
  de voies transmises. On pourra aller jusque huit ou dix au grand maximum !
- Sur le comportement de certains variateurs. Quelques modélistes pratiquant l'indoor ont peut-être eu la surprise de constater que le moteur changeait de régime en actionnant une commande
  quelconque. C'est parce que le variateur bas de gamme utilisé est sensible, non seulement au temps de sa voie, ce qui est normal, mais aussi à Ds, ce qui ne l'est pas.
  Or Ds varie avec la durée de chacune des voies, nous venons de le voir.

PRATIQUE du CODEUR PPM.

Les codeurs PPM de nos émetteurs ont connu plusieurs évolutions dans le temps :

Codeurs de 1ère génération. ( .. 1970 .. )
Ils étaient bien entendu à transistors, les circuits intégrés n'existant pas ! Nous vous proposons en Fig. 7 un schéma extrait de "MODELE AIRPLANE NEWS" de Sept.1968 p.47.


    Les transistors T1 et T2 constituent un oscillateur de fréquence égale à celle des séquences ( 50 Hz )
    Suivent les transistors T3, T4 .. tous montés en univibrateurs élémentaires, chacun déclenché par l'étage
    précédent et générant une impulsion de voie dont la largeur varie avec le potentiomètre de 5 kW de
    collecteur de l'étage précédent, dans une fourchette ajustée par la résistance variable de base ( course ).
    Tous les créneaux de voies sont différentiés ( Fig 6b ) par une cellule RC  (47 kW/4.7nF) donnant des pics
    positifs sur les fronts montants et négatifs sur les descendants. Les diodes D1 .. D5 ne laissent passer que
    les négatifs qui bloquent T7 pendant 300 µs environ. T8 inverse le signal et délivre la séquence PPM.
    Notons la valeur de 1.7 ms souvent retenue à cette époque pour le neutre.
    La durée de séquence Ds, imposée par la fréquence de l'horloge T1/T2 est constante,
    c'est donc le temps de synchro Tsy qui varie .
MRA4B5.jpg (16075 octets)    Ces codeurs très rustiques, très simples
    fonctionnaient fort bien, mais ils avaient
   quelques défauts :
                                                   - interréaction entre le réglage de course et le calage du neutre
                                                   - pas moyen d'inverser le sens d'action des manches
                                                   - impossibilité de réaliser les fonctions de dual-rate, exponentiel, couplages  et autres mixages.

Il faut dire que ces défauts n'indisposaient pas du tout les modélistes du moment, qui sortant des multicanaux Tout ou Rien étaient tout simplement émerveillés par les possibilités de leur dernier joujou !

Codeurs de 2ème génération.

MRA4B6.jpg (20902 octets)



  Introduction des circuits intégrés CMOS à faible consommation.
  ils amènent une grande simplification du codeur. La Fig. 8 en donne un exemple.
  On trouve deux univibrateurs se déclenchant réciproquement : UV1 déclenche UV2 qui lui rend la pareille.
  UV1 génère les impulsions de 300 µs, donc la séquence, par la constante de temps R1/C1.
  UV2 génère les temps de voies et Tsy par R2/C2.
  La résistance R2 d'une voie est choisie par un commutateur tournant CMOS, qui avance d'un pas à chaque impulsion UV1.
  Ainsi on utilise d'abord M1, puis M2, puis M3 ... enfin la résistance Rsy donnant Tsy ... et on recommence !
  Outre le faible nombre de composants requis, le codeur ainsi réalisé fonctionne à Tsy constant, ce qui est mieux ...
  pour le décodeur. Toutefois les mêmes autres défauts subsistent et ne trouveront remède qu'avec les codeurs de
  3ème génération que nous étidieront dans le chapitre suivant