Notes Technique Radio 5 — Lignes de transmission, synoptiques & modulations

Dernière page de la série de notes techniques HAREC. Voir les pages précédents pour les chapitres 0-9. Cette page couvre les chapitres 10, 11 et 12, ce qui clôture l'intégralité du programme technique (chapitres 0 à 12).

10. Lignes de transmission et adaptation

10.1 La ligne de transmission (feeder)

Transfère l'énergie entre émetteur/récepteur et antenne. Deux familles :

• Asymétrique : câble coaxial (âme + tresse formant l'écran).
• Symétrique : ligne bifilaire ("échelle à grenouille", twin lead).

Une ligne équivaut électriquement à une bobine + deux résistances + un condensateur répartis linéiquement. Son impédance caractéristique est indépendante de sa longueur ; sa perte (affaiblissement linéique, en dB/m) augmente avec la fréquence.

Mode différentiel vs mode commun : si les courants dans les deux conducteurs sont égaux et opposés (mode différentiel), les champs s'annulent et la ligne ne rayonne pas. En mode commun (courants déséquilibrés), une partie de l'énergie chemine en surface du blindage et la ligne se comporte comme une antenne parasite — d'où l'usage d'un symétriseur (balun) ou de chocs-baluns (boucles de câble coaxial) pour limiter ce phénomène.

10.2 Impédance caractéristique

$$Z_{ligne}(\Omega) = \sqrt{\frac{L(\text{H/m})}{C(\text{F/m})}}$$

Exemple — $L = 0{,}5,\mu\text{H/m}$, $C = 200,\text{pF/m}$ → $Z = \sqrt{0{,}5\times10^{-6}/200\times10^{-12}} = 50,\Omega$.

La vélocité (vitesse de propagation relative) dépend du diélectrique : $v = 1/\sqrt{\varepsilon_r}$. Exemples : polyéthylène plein ≈ 66 %, semi-air ≈ 80 %, ligne bifilaire ≈ 95 %, microstrip (fibre de verre) ≈ 50 %.

10.3 Adaptation, désadaptation et ondes stationnaires

Le transfert de puissance est maximal quand l'impédance du générateur est conjuguée de celle de la charge (même partie résistive, réactances opposées).

Une désadaptation crée des ondes stationnaires : l'onde réfléchie se superpose à l'onde incidente, formant des ventres (maxima) et des nœuds (minima) fixes, espacés d'un quart d'onde.

Coefficient de réflexion $\rho$ et TOS :

$$\rho = \frac{U_{maxi}-U_{mini}}{U_{maxi}+U_{mini}} = \sqrt{\frac{P_R}{P_E}} \qquad\qquad \text{TOS}(%) = 100,\rho$$

ROS (toujours ≥ 1) :

$$\text{ROS} = \frac{Z_{plus\ forte}}{Z_{plus\ faible}} = \frac{U_{maxi}}{U_{mini}} = \frac{I_{maxi}}{I_{mini}}$$

$$\text{ROS} = \frac{1+\rho}{1-\rho} \qquad\qquad \rho = \frac{\text{ROS}-1}{\text{ROS}+1}$$

Repères utiles à connaître par cœur :

ROS	TOS	ρ	Puissance réfléchie
1/1	0%	0	0%
1,5/1	20%	0,2	4%
2/1	33,3%	0,333	11,1%
3/1	50%	0,5	25%

Exemple — câble coaxial 50 Ω sur une antenne quart d'onde 36 Ω : $\text{ROS} = 50/36 \approx 1{,}39/1$.

Une boîte de couplage (filtre en Π ou T, §4.5) protège l'étage final en limitant la puissance réfléchie vue par l'émetteur, mais ne résout pas les pertes supplémentaires liées au ROS lui-même dans la ligne.

10.4 Lignes d'adaptation et symétriseurs

Propriétés des tronçons de ligne en fonction de leur longueur (utile pour fabriquer des adaptateurs ou des filtres) :

Exemple — adapter $Z_e=50,\Omega$ à $Z_s=100,\Omega$ avec un tronçon $\lambda/4$ : $Z_c = \sqrt{50\times100} \approx 70{,}7,\Omega$.

L'impédance du vide (et de l'air sec, quasi identique) vaut $\sqrt{\mu_0/\varepsilon_0} = 377,\Omega$ (soit $120\pi$).

Lignes fermées vs ouvertes — une ligne fermée (âme reliée à la tresse en bout) présente une impédance nulle à $\lambda/2$ et infinie à $\lambda/4$ ; une ligne ouverte a le comportement inverse. Ces tronçons forment des filtres peu coûteux.

Symétriseurs (baluns) — nécessaires quand une antenne (dissymétrique par construction ou par environnement) est alimentée par une ligne symétrique/asymétrique différente. Le balun symétriseur de tension peut aussi transformer l'impédance ; d'autres systèmes (Gamma match, T match, stub) sont utilisés en VHF+.

11. Les synoptiques

Les synoptiques sont des schémas de principe, pas des schémas électriques : ils montrent l'enchaînement fonctionnel des étages. Un récepteur se lit de l'antenne vers le haut-parleur ; un émetteur se lit du microphone vers l'antenne. À l'examen, il faut souvent identifier un étage manquant ou sa fonction plutôt que retenir un schéma exact.

11.1 Récepteur sans conversion de fréquence

Chaîne d'amplificateurs RF accordés directement sur la fréquence à recevoir, suivis d'un démodulateur puis d'un étage AF (basse fréquence) vers le haut-parleur. Difficile à accorder sur une large bande si les étages RF sont nombreux.

11.2 Récepteur superhétérodyne (à fréquence intermédiaire)

Principe de l'hétérodynage : mélanger la fréquence à recevoir avec un oscillateur local (FO) pour la ramener à une fréquence intermédiaire (FI) fixe, plus facile à filtrer et amplifier avec sélectivité constante.

$$\text{FI} = |\text{HF}-\text{FO}| \quad\text{(mélange infradyne si FO<HF)} \qquad\qquad \text{FI} = \text{FO}+\text{HF}\quad\text{(mélange somme)}$$

• Infradyne : FO < HF. Supradyne : FO > HF.
• Mélange par différence avec FO qui augmente pour suivre HF → repli spectral (spectre inversé dans la FI), FI < HF.
• Mélange par somme → pas de repli spectral, FI > HF (typique des récepteurs à large couverture, première FI très haute).

Les récepteurs modernes utilisent souvent un double changement de fréquence : une première FI très élevée (rejette loin la fréquence image, filtrage d'entrée simplifié) suivie d'une seconde FI basse (filtres économiques ou traitement numérique).

SDR (Software Defined Radio) : conversion directe + mélangeur à double sortie I/Q (phase et quadrature) + traitement numérique, avec un nombre d'échantillons bien inférieur à une FFT classique.

11.3 Fréquence image

La fréquence image (Fim) est la fréquence "miroir" qui, mélangée à FO, donnerait accidentellement la même FI que le signal désiré — d'où la nécessité d'un bon filtrage d'entrée avant le mélangeur.

$$\text{Fim} = |2\cdot\text{FO} - \text{HF}|\ \text{(cas infradyne, FI=HF-FO)}$$

Exemple — HF=14 MHz, FO=5 MHz, FI=9 MHz → $\text{Fim} = |2\times5-14| = 4,\text{MHz}$.

11.4 Sensibilité d'un récepteur — échelle des S

Un signal S9 correspond à $50,\mu\text{V}$ sous $50,\Omega$, soit $P = U^2/R = 50,\text{pW}$ (= −73 dBm). Chaque point S représente 6 dB.

11.5 Émetteur

Le modulateur intègre un oscillateur HF et module ce signal au rythme de la BF. Un émetteur comporte toujours un filtre anti-harmonique passe-bas en sortie. Dans un transceiver, l'oscillateur local et la prise antenne sont souvent partagés entre émission et réception, avec un système de commutation (relais, diodes).

11.6 Compatibilité électromagnétique (CEM)

Émission

Capacité d'un appareil à générer des perturbations vers son environnement.

Susceptibilité

Capacité d'un appareil à être perturbé par son environnement (seuil de susceptibilité dépassé → besoin de "durcissement").

Perturbation conduite

Véhiculée par des conducteurs (fils, câbles, pistes).

Perturbation rayonnée

Propagée par champ électromagnétique dans l'espace.

11.7 Intermodulation, transmodulation et bruit

Intermodulation : mélange de fréquences dans un étage non linéaire. Produits du 3ᵉ ordre ($2A-B$, $2B-A$) particulièrement gênants quand $A$ et $B$ sont proches. Le point d'interception du 3ᵉ ordre (IP3), exprimé en dBm, caractérise la robustesse d'un récepteur — plus il est élevé, mieux c'est.

Transmodulation : un signal fort voisin sature l'étage d'entrée et vient "moduler" le signal désiré avec sa propre modulation.

Bruit thermique :

$$P(\text{W}) = k \cdot T(\text{K}) \cdot B(\text{Hz}) \qquad\qquad P(\text{dBm}) \approx -174,\text{dBm} + 10\log[B(\text{Hz})]\ \text{(à 17°C)}$$

La bande passante a une forte incidence sur le bruit ; la température ambiante en a une incidence faible pour les usages radioamateurs typiques.

Facteur de bruit total d'une chaîne d'étages (formule de Friis du bruit) :

$$F = F_1 + \frac{F_2-1}{G_1} + \frac{F_3-1}{G_1 G_2} + \dots$$

C'est le bruit du premier étage qui compte le plus — un préamplificateur à faible bruit placé au plus près de l'antenne masque largement les pertes des étages suivants.

12. Les différents types de modulation

12.1 Vue d'ensemble

Un signal sinusoïdal se caractérise par amplitude, fréquence et phase. Moduler consiste à faire varier l'une de ces grandeurs au rythme du signal à transmettre (BF).

AM : la porteuse HF est enveloppée par la BF → spectre = porteuse + 2 bandes latérales (chacune porte le message).

BLU (SSB) : AM sans porteuse et sans l'une des deux bandes latérales — optimise la puissance émise. BLS (bande latérale supérieure) ou BLI (inférieure, spectre inversé — nécessite un "retournement" à la démodulation).

CW : HF modulée en tout-ou-rien — cas limite de l'AM.

Modes numériques (MGM) : FSK (déplacement de fréquence), PSK (déplacement de phase, 2/4/N états), QAM (combine amplitude + phase, jusqu'à 256 états).

Le débit binaire (bps) = vitesse en Bauds (changements d'état par seconde, qui détermine la bande occupée) × valence (nombre d'états possibles par changement).

12.3 Modulation d'amplitude (AM)

Détection : diode + filtre RC passe-bas (détecteur d'enveloppe). Diode au germanium préférée pour son seuil bas (0,3 V), meilleure restitution des creux du signal.

CAG (contrôle automatique de gain) : ajuste le gain des étages RF/FI pour maintenir un niveau BF constant quelle que soit la force du signal reçu — la tension de CAG pilote aussi le S-mètre.

Taux de modulation :

$K( pourcentage ) = \frac{ A-a }{A+a} = \frac{b}{B}$

où $B$ = valeur crête sans modulation, $b$ = variation d'enveloppe, $A/a$ = valeurs extrêmes de l'enveloppe modulée.

Au-delà de $K=100%$ (enveloppe dépassant 0 ou $B$), il y a surmodulation et distorsion sévère du signal. Un compresseur de modulation (avant le modulateur) permet d'optimiser $K$ sans dépasser ces limites.

Exemple — $A=4{,}2,\text{V}$, $a=1{,}8,\text{V}$ → $K = (4{,}2-1{,}8)/(4{,}2+1{,}8) = 40%$.

12.4 Modulation de fréquence (FM)

FM et PM (modulation de phase) sont très proches (mêmes démodulateurs, circuits appelés "FM" par abus de langage).

Démodulation — le discriminateur convertit les variations de fréquence en variations de tension BF : détecteur de pente (filtre décalé), discriminateur Travis (deux circuits oscillants), Foster-Seeley (déphasage), ou boucle PLL (approche moderne).

• Squelch : coupe l'AF en l'absence de signal HF suffisant (évite le souffle).
• Limiteur : écrête les variations d'amplitude parasites avant le discriminateur.

Excursion, indice de modulation, règle de Carson :

$$m = \frac{\text{Excursion (Hz)}}{BF_{max}(\text{Hz})} \qquad\qquad B_{passante} = 2(m+1)\cdot BF_{max}\ \text{(règle de Carson, 98% de la puissance)}$$

Exemple — excursion 7,5 kHz, BF max 3 kHz → $m = 2{,}5$.

Quand $m < 1$ (NBFM), le rapport signal/bruit se dégrade fortement, se rapprochant de celui de l'AM. Un préaccentuateur (renforce les aigus avant modulation) + désaccentuateur (symétrique, après démodulation) compense partiellement ce défaut.

Passer un signal FM dans un multiplicateur de fréquence (§7.6) double aussi son excursion et son indice de modulation.

12.5 CW (manipulation par coupure de porteuse)

Modulation par rupture d'alimentation d'un étage (oscillateur, FI, ampli final) ou par rupture de liaison entre étages.

Manipuler l'oscillateur directement peut dégrader sa stabilité (générant des "piaulements" à la réception) ; manipuler entre étages peut provoquer des "claquements" (variations d'impédance de charge). La CW se démodule comme la BLU (via un BFO, voir ci-dessous).

12.6 Bande latérale unique (BLU)

Au taux de modulation maximal (K=100%), la porteuse contient les 2/3 de la puissance, chaque bande latérale seulement 1/6 — d'où l'intérêt de supprimer porteuse et une bande latérale pour concentrer toute la puissance dans le message utile (gain ≈ 6 dB par rapport à l'AM classique, à puissance émise égale).

Génération : un mélangeur équilibré génère une double bande latérale (DBL), puis un filtre à quartz sélectionne la bande souhaitée.

• Mélangeur équilibré à diodes en anneau (Schottky, montage 4 broches) : multiplie fidèlement les tensions, ne laisse passer que $f_1\pm f_2$ ; défauts : perte ≈ 10 dB (facteur de bruit), besoin d'un signal OL puissant, impédance de charge imposée (souvent 50 Ω).

Vérification de linéarité : générateur "deux tons" (ex. 900 et 1700 Hz, non harmoniques) injecté au micro — tout signal parasite en sortie signale une distorsion (souvent le mélangeur équilibré).

Démodulation CW/BLU — le BFO (Oscillateur de Battement de Fréquence) régénère localement une porteuse proche de la fréquence à démoduler ; l'ensemble mélangeur BFO + détection AM forme un détecteur de produit.

En BLU, la fréquence affichée par le transceiver correspond à la porteuse supprimée — il n'y a donc aucune émission exactement sur cette fréquence. En CW, au contraire, l'émission a bien lieu sur la fréquence affichée.

Récepteur à conversion directe : l'oscillateur local est proche de la fréquence à recevoir ; le mélangeur produit directement le signal BF (plus de FI, plus de problème de fréquence image). Nécessite un fort gain AF (≥100 dB) ; ne démodule nativement que l'AM/BLU — la FM/PM y nécessite un traitement numérique (démodulateur I/Q).

Fin de la série de notes. L'ensemble des chapitres 0 à 12 du programme technique HAREC (cours F6KGL) est maintenant couvert dans les 5 pages notes-technique-radio-1 à -5.

Non repris ici (hors du strict programme technique détaillé chapitre par chapitre) : les annexes du cours (formulaire récapitulatif, bibliographie) et la Section B "Connaissances techniques de base" de la partie Réglementation (R-5.1 à R-5.5 : puissance/dB, types d'antennes, lignes de transmission, brouillages, protections électriques) — ce sont des rappels plus courts, déjà largement recoupés par les chapitres 1, 4, 9 et 10 ci-dessus. Lien du cours de base

1. Rappels d'algèbre — Lois d'Ohm et de Joule link1
2. Courants alternatifs, bobines, condensateurs — Transformateurs, piles, galvanomètres link2
3. Décibel, circuits R-C / L-C / RLC — Diodes — Transistors link3
4. Amplis/oscillateurs/mélangeurs — AOP et logique — Propagation et antennes link4
5. Lignes de transmission et adaptation — Synoptiques — Types de modulation link5