QUALITES et DEFAUTS des récepteurs

Nous avons étudié, dans les pges précédentes, le fonctionnement des récepteurs AM ( 10 ) et celui des récepteurs FM ( 11 ).
Nous avons montré que la FM s'avérait plus performante que l'AM. Cependant les deux types de récepteurs se retrouvent sur des qualités et défauts communs.

Le récepteur idéal devrait être capable de recevoir des signaux très faibles afin de donner une grande portée --> Il devrait avoir une grande SENSIBILITE.
Par ailleurs, il devrait ne recevoir que l'émission qui lui est destinée, soit avoir une grande SELECTIVITE.

1. SENSIBILITE

Pour garantir cette qualité, le récepteur doit comporter un nombre d'étages amplificateurs suffisant. Il s'avère particulièrement efficace d'amplifier le signal dès son entrée dans le récepteur,  sur la
fréquence reçue, avant changement de fréquence.
Un récepteur sensible aura donc un ampli HF. Bien conçu, cet étage peut donner un gain de 10 à 20 dB ( soit de 10 à 100 fois ). Pour bien faire, cet ampli doit être à faible bruit de manière à favoriser
le rapport signal/bruit, faute de quoi il est plus nuisible qu'utile.
La sensibilité de nos récepteurs RC est de l'ordre du µV : Selon les modèles elle peut aller de 1 à 10 µV. A vrai dire, il n'est pas nécessaire d'avoir une sensibilité exagérée ( 1 µV ) car les portées
obtenues dépassent alors de très loin les possibilités visuelles du pilote. En revanche, une trop faible valeur ( 10 µV ) risque de poser problème lors de certaines phases du vol : passage bas et lointain,
approche d'atterrissage de loin, antenne pointant un modèle éloigné.

Le champ HF de l'émetteur étant variable avec le carré de la distance, la grande sensibilité n'est utile que lorsque le modèle est très éloigné.
Par contre, à courte distance, elle serait plutôt néfaste ( voir plus loin ) C'est la raison pour laquelle une commande automatique de sensibilité est fort utile. Elle doit être appliquée sur l'étage HF
d'entrée pour être efficace.
Nous en reparlerons.

2. SELECTIVITE

Elle doit assurer une bonne sélection des émissions voisines : canaux à 10 kHz en 41 MHz et à 20 kHz en 72 MHz.
La courbe de sélectivité idéale devrait être rectangulaire. Voir Fig. 1.
Le récepteur accepte alors tout ce qui se situe dans sa bande passante BP et il ne reçoit strictement rien en dehors.
La bande passante ne peut pas être trop étroite car il faut penser à la fréquence modulée, donc variable avec un spectre de quelques kHz de largeur,
ainsi qu'aux bandes latérales de l'AM.
La sensibilité dans la bande est constante.


    Bien entendu, en pratique, une telle courbe de sélectivité n'existe pas. On essaie simplement de s'en rapprocher.
    On aura alors une courbe de l'aspect de la Fig. 2 . On y voit quelques fluctuations de niveau dans la BP,
    Les flancs sont inclinés, ce qui fait varier la largeur de bande en fonction du niveau considéré : par ex. 5 kHz à -6 dB, 10 kHz à -30 dB,  20 kHz à -50 dB .
    Le plus souvent cette bande est indiquée à -6 dB, ce qui correspond  à une amplitude moitié de la maximale notée 0 dB.
    Une particularité importante de la courbe de la Fig. 2  est qu'elle ne tombe jamais à 0, ce qui veut dire qu'en dehors de la BP les signaux puissants passent un peu
    même s'ils sont très atténués.
    Cela permet de comprendre qu'un récepteur captant un signal utile faible, peut être perturbé par un signal parasite puissant situé hors bande.

Un exemple : Deux pilotes font évoluer leurs modèles en se tenant loin l'un de l'autre. ( 100 m ou plus )
Si l'avion du premier passe trop près du second, il risque fort d'aller au tapis ! Le signal HF du second passant
finalement aussi fort que celui du premier, compte tenu du rapport très important des distances.

Conclusion : Sur le terrain, les pilotes doivent se grouper, sans tomber dans "l'épaule contre épaule" situation
que nous avons évoquée et qui provoque une intermodulation des émetteurs.

Eh oui, difficile de faire parfait !

Rappelons que la sélectivité des récepteurs ne peut pas s'obtenir dans les étages d'entrée accordés sur la fréquence reçue.
Ces étages sont du type LC à bande passante bien trop large. La sélectivité est donc obtenue après changement de fréquence qui fait passer le signal à 455 kHz.
Sur cette fréquence basse, la sélectivité des bobines ( 1/50 F ) est suffisante.
Toutefois, dans nos récepteurs actuels, les bobines sont rarement utilisées. Elles sont presque toujours remplacées par des filtres céramiques ou à quartz. Cela s'explique par l'usage des circuits
intégrés dans lesquels il est très facile de graver des cascades d'étages amplificateurs. Notons la différence de comportement entre bobines et filtres :
La bobine utilise la résonance . Celle-ci favorise la fréquence utile au détriment des autres . On pourrait dire qu'elle a un effet actif.
Le filtre, au contraire laisse passer la fréquence utile, sans l'amplifier, au contraire ( perte d'insertion ) et tend à éliminer les autres. Son effet est donc plus passif et il exige des étages à grand gain.
Bien entendu, le filtre a l'avantage de l'absence de tout réglage, donc aussi de déréglage. Généralement les filtres ont une structure "en échelle" avec mise en série de plusieurs cellules. Voir Fig. 3.
On parle de filtres à 2, 3 … 8 pôles .
                                                                                                                                Un exemple : le CFW455H très répandu dans nos récepteurs :
                                                                                                                                                                Voir Fig. 4.  ci-dessous


- Bande passante à - 6 dB : 6 kHz

- Bande passante à - 50 dB : 18 kHz

- Réponses parasites hors bande : - 35 dB max

Bien entendu, il n'existe pas de récepteur parfait ! Voyons ci-dessous certains de leurs défauts.

LA FREQUENCE IMAGE

C'est le talon d'Achille des récepteurs à simple changement de fréquence.
La Fig. 5 rappelle le principe du changeur en question qui fabrique le 455 kHz par battement différence entre la fréquence reçue Fr et la fréquence de
l'oscillateur local Fo : Fr - Fo = 455 kHz

Ex . Pour recevoir 41100 kHz, on utilise un quartz de 40645 kHz puisque
41100 - 40645 = 455
.


Malheureusement, avec ce quartz, il y a une seconde fréquence qui va donner un battement à 455 kHz. C'est le 40190 kHz, puisque 40645 - 40190 = 455 aussi !  
C'est la fréquence image de 41100 kHz   On l'appelle ainsi car elle est symétrique de 41100 par rapport à la fréquence du quartz.

    
    Hélas, cette fréquence image est trop proche de la fréquence utile ( écart = 2 x 455 = 910 kHz ) pour pouvoir être réjectée par les bobines
    d'entrée du récepteur. Elle est au plus un peu atténuée, mais fort bien reçue. Voir Fig. 6. Cela double évidemment le risque potentiel de brouillage.

    La seule parade à ce problème consiste à éloigner la fréquence image de l'utile. Puisque cet écart est égal à deux fois la FI,
    il faut augmenter la fréquence FI. Mais alors survient un autre problème . Nos récepteurs fonctionnent en NBFM, à faible swing , 4 kHz environ ,
    ce qui correspond à 4/455 = 0.8% environ de variation FI.
    Les démodulateurs acceptent parfaitement cette valeur et délivrent un niveau BF correct d'environ 1 Vcc.

Si nous faisons passer la FI à 4.5 MHz, par exemple, la FM ne représentera plus que 0.08% et le niveau BF tombera à un niveau bien trop faible pour être exploitable.
Et pourtant l'augmentation de la valeur FI est la seule voie possible.

Pour régler la question il n'existe qu'une seule solution : Le double changement de fréquence. Voir Fig. 7.
Le premier changeur MIX1 délivre une FI1 à 10700 kHz ( soit environ 23 fois 455 kHz ) Le second changeur MIX2 donne le 455 kHz à l'aide
d'un quartz fixe de 10245 kHz. ( 10700 - 10245 = 455 ).
Pour changer de fréquence, on change QZ1 :

Ex. Fr = 41100 kHz QZ1 = 30400 kHz . ( 41000 - 30400 = 10700 ).
La fréquence image est égale à 30400 - 10700 = 19700 kHz donc à 21400
kHz de Fr ( 2 x 10700 )
Il va sans dire que cette fréquence est totalement éliminée par les étages d'entrée. Voir Fig. 8 .



     Mais attention, qu'advient-il de notre fameuse fréquence image de tout à l'heure : Le 40190 kHz ?
     Eh, bien, cette fréquence traverse allègrement les étages d'entrée et sort de MIX1 en donnant    40190 - 30400 soit 9790 kHz,
     lesquels, sans précaution particulière vont se présenter à l'entrée de MIX2 et donner 10245 - 9790 = 455 kHz !!!
     Sommes-nous donc maudits !! N'arriverons-nous donc jamais à nous débarrasser de ce 40190 !!
     Heureusement si !! Mais pour cela, il faut intercaler entre MIX1 et MIX2 un filtre 10700 kHz sélectif.
     Voir Fig. 9.

Ce sera donc un filtre à quartz, par exemple un XF106 de KVG, avec une bande passante de l'ordre de  20 kHz à - 6 dB   et une atténuation
hors bande meilleure que 40 dB.   Tout cela dans un boîtier identique à celui du quartz HC25.
Ce filtre à quartz élimine totalement le 9790 kHz issu de MIX1 et résout enfin …. notre casse-tête !
Ce filtre a par ailleurs un autre effet bénéfique : Il atténue fortement toutes les émissions voisines qui ont traversé le premier mixer, ne laissant passer que
le signal FI1 utile. Dans ces conditions le risque d'intermodulation dans le second mixer est pratiquement éliminé.
Cela ne serait pas le cas, en utilisant un banal filtre céramique 10.7 MHz dont la bande passante trop large ( 200 à 300 kHz ) ne permettrait pas de bloquer les canaux adjacents..
Concluons en disant que le doubleur changeur c'est beaucoup mieux que le simple … à condition qu'il ait un filtre à quartz, faute de quoi il n'est pas meilleur et peut même être pire !

L'INTERMODULATION

Nous avons déjà abordé cette "maladie" lors de l'étude des émetteurs, en expliquant que trop proches, ils fabriquaient des fréquences parasites.
Hélas, le même phénomène se produit dans les récepteurs. Tout vient toujours des étages non linéaires, ce qui est bien le cas des mixers.
Tout étage non linéaire engendre de la distorsion du signal qui le traverse, c'est-à-dire qu'il crée des harmoniques de ce signal et cela d'autant plus violemment que les signaux sont forts.
Supposons, par exemple, deux fréquences F1 et F2 puissantes, captées en même temps. Il se crée des fréquences parasites 2 F1, 3 F1 …. 2 F2, 3 F2 ….
Il s'ensuit des battements 2 F1 - F2, 2 F2 - F1 … pour ne parler que des plus forts ( ordre 3 ) . Voir Fig. 10

Un petit exemple précis :

3 modélistes sur le terrain : Paul émet sur 41050 kHz ( F1 ), Pierre sur 41100 ( F2 ) et Jacques sur 41150 ( F3 ).
Avec 50 kHz entre fréquences, ils pensent que tout est parfait ! Mais ….
       Dans le Rx de Jacques : 2 F2 - F1 = 2 x 41100 - 41050 = 82200 - 41050 = 41150 !
Et le pauvre Jacques risque d'être brouillé par la conjonction des émissions de ses deux amis. Il le sera surtout si les signaux sont forts,
à courte distance, ou même à distance moyenne, si son avion et les antennes respectives ont des positions telles que son récepteur favorise
plus les signaux des deux autres, que le sien.
Piètre consolation pour Jacques :
       Dans le Rx de Paul : 2 F2 - F3 = 2 x 41100 - 41150 = 82200 - 41150 = 41050 !!
Et Paul risque aussi le brouillage. Dans cette partie à trois, seul Pierre s'en sort indemne ! A partir de quatre, tout le monde risque de brouiller tout le monde !
Ce type de problème existe tout particulièrement lors des compétitions de voitures : Les pilotes sont trop près les uns des autres ( intermodulation des émetteurs ), à courte distance des modèles
( signaux forts ) et trop nombreux pour autoriser un choix idéal des fréquences. Car c'est ce point qu'il faut vérifier : Il ne suffit pas de constater que les fréquences sont différentes, il faut aussi éviter
leur équidistance : 41050, 41100, 41150 ont des écarts égaux de 50 kHz !
Existe-t-il des remèdes à ce danger potentiel ?
En fait, on peut limiter les troubles dus à l'intermodulation, on ne peut pas les éliminer totalement.

- Qualité du mixer. Jouer sur le vrai coupable semble la meilleure solution. Il existe des mixers, dits "à haut niveau" capables de supporter des signaux très forts sans intermoduler.
On les trouve en particulier dans les récepteurs de trafic des radio-amateurs
Observons la Fig. 11 qui nous montre dans quelles conditions se créent les signaux indésirables 2 F1 - F2 et 2 F2 - F1.
La courbe en trait continu représente le niveau du signal utile d'entrée. En seconde courbe nous avons le niveau des signaux parasites.
On constate d'abord que pour les niveaux d'entrée faibles, il n'y a pas de troubles. Ceux-ci apparaissent à partir d'un certain niveau d'entrée.
Mais à partir de là, ils croissent 3 fois plus vite que les signaux utiles, parvenant en théorie à les égaler en un point appelé "d'interception".
Pratiquement le mixer est saturé avant ce point, la saturation correspondant au point dit de "compression".

Pour un mixer à haut niveau, le point d'interception peut se situer à + 20 dBm ( env. 3 Veff sous 50W ), pour un mixer intégré, genre MC3362,
il est à quelque - 20 dBm ( env. 30 mVeff ). Avec un tel circuit ou un équivalent, l'intermodulation apparaît à partir de - 50 dBm, soit 1 mVeff,
ce qui n'est pas terrible, évidemment ! Hélas, les mixers à haut niveau sont trop volumineux et surtout ils exigent un niveau d'oscillation locale très élevé
allant jusqu'à + 20 dBm . Ce n'est pas possible dans nos micro-récepteurs, dans lesquels seul un choix judicieux des composants peut améliorer les
choses..


- Niveau d'entrée. Puisque l'intermodulation apparaît sur signaux forts, il faudrait les éviter autant que possible. Pour cette raison, la Commande
Automatique de Gain ( CAG ) est hautement souhaitable, mais il faut qu'elle soit appliquée AVANT le premier mixer, donc sur l'ampli HF prévu
pour accroître la sensibilité. La mise en œuvre de la CAG est grandement facilitée par l'existence sur la plupart des circuits intégrés de réception, d'une sortie "niveau HF" appelée RSSI
( Received Signal Strengh Indicator ) qui délivre un courant ou une tension proportionnels à l'amplitude HF ( en dB ) du signal capté. Il suffit d'utiliser cette sortie via un interface ad hoc, pour
bloquer l'ampli HF sur signaux forts et le libérer sur signaux faibles. Le remède n'est pas absolu mais très efficace. L'action obtenue est transparente à l'utilisateur et ne lui apparaît pas bien, sauf si
dans d'autres circonstances, avec un Rx plus rudimentaire, il se fait envoyer au tapis, sans trop savoir pourquoi !