Les techniques de réception des ondes radioélectriques permettent de restituer les informations analogiques ou numériques portées par une onde radioélectrique : divers schémas de récepteurs, de filtrage, de démodulation sont utilisés, en fonction des applications et des fréquences. Elles ont été l'objet de spectaculaires évolutions depuis l'apparition des circuits intégrés (synthétiseurs, processeurs).
Cet article traite des différentes techniques permettant de restituer le signal électrique reçu en sortie de l'antenne, pour l'appliquer aux circuits de traitement.
Définitions et limites Dans un canal de télécommunication radioélectrique, les frontières entre « antenne », « réception », « démodulation », « traitement du signal » sont définies par des habitudes aussi bien que par des techniques différentes.
En général, dans un système complexe (satellite, radar, etc.), les circuits de « réception » commencent à la sortie de l'antenne, le signal étant sous forme électrique, jusqu'à la sortie du démodulateur analogique principal, Ce signal en "bande de base" étant à un niveau suffisant et permettant la démodulation ultérieure de ses diverses composantes, puis leur traitement et décodages éventuels.
La réception se place ainsi après la propagation des ondes radio, et les antennes, et avant les démodulations secondaires, multiplexages, décodages, etc.
Dans un système simple, comme la radiodiffusion, le terme "réception" comporte en fait tous les éléments jusqu'à la sortie audiofréquence, et même le haut-parleur.
Notations: Fo est la fréquence de l'oscillateur local. Fp est la fréquence de la porteuse à recevoir. Fi est la fréquence intermédiaire de l'amplificateur intermédiaire.
Caractéristiques principales d'un récepteur Sensibilité La sensibilité d'un récepteur est l'amplitude du signal à appliquer à son entrée pour obtenir à la sortie du démodulateur un rapport signal sur bruit déterminé. La sensibilité d'un récepteur définit sa capacité à recevoir des signaux faibles. Elle s'exprime de diverses façons selon les applications :
En radio AM ou radio FM : en volts ou dBV à l'entrée pour obtenir une puissance de sortie audio donnée. Elle est alors mesurée en utilisant un générateur de signaux calibrés ; le signal de sortie est modulé à 30 % par un signal audio de . En radiotéléphonie HF et VHF, c'est le niveau à l'entrée antenne donnant un rapport signal sur bruit (S/B) donné en sortie audio, dans chaque modulation. En effet le bruit dans le récepteur dépend de la largeur du filtre utilisé et du type de démodulation. Exemple de spécification d'un récepteur de trafic sensible : à l'entrée pour de S/B en sortie, en BLU. Le S/B de étant une limite basse acceptable en BLU, un signal de est nécessaire pour l'obtenir, en ne considérant que la contribution du récepteur (le bruit propre de l'antenne, et surtout de l'environnement extérieur pouvant être prépondérant). En transmission de données et radio numérique, c'est le niveau à l'entrée antenne donnant un taux d'erreurs (BER) inférieur à une valeur donnée. Pour un récepteur entrant dans un système (exemple : faisceau hertzien, répéteur satellite, etc.), la sensibilité est séparée en deux paramètres : le facteur de bruit d'entrée et le gain global.
Les signaux d'entrée pouvant être très faibles, les niveaux sont exprimés en microvolts, ou en « dBµV » (dB relatif à 1 microvolt).
La sensibilité d'un récepteur dépend essentiellement du facteur de bruit du premier étage et de sa bande passante globale.
Sélectivité
La sélectivité d'un récepteur décrit l'aptitude du récepteur à séparer le signal désiré des signaux perturbateurs (tels que d'autres émetteurs à des fréquences voisines). La sélectivité peut être définie globalement par le facteur de réjection du canal adjacent ou du canal alterné, c'est-à-dire le rapport entre les puissances mesurés dans le haut-parleur lorsque, le récepteur étant réglé sur la fréquence Fp, le générateur est réglé à la fréquence Fp, Fp + LC ou Fp + 2LC. LC étant la largeur d'un canal (5 ou pour les émissions AM par exemple).
Un récepteur idéal présenterait une réponse en fréquence « carrée » : réponse constante dans la largeur de bande de la modulation, réjection totale hors du canal utile. Un récepteur réel est caractérisé par : ses fluctuations de gain et de phase dans la bande utile reçue, qui doivent être minimisées; sa réjection des canaux proches, à maximiser; sa réjection générale des signaux hors bande, à maximiser également. La réponse du filtre doit être suffisamment large pour contenir le spectre complet du signal à recevoir, et pour accepter les dérives de fréquence de l'émetteur et de l'oscillateur local du récepteur. A contrario, la réponse du filtre doit être suffisamment étroite pour réjecter convenablement les émissions adjacentes.
Ces divers paramètres s'expriment par un graphique donnant la réponse en fréquence du récepteur attaqué par un générateur étalonné, avec trois chiffres principaux : largeur en Hz à - ; largeur en Hz à - ; réjection hors bande en dB.
Le rapport entre la largeur à - et à - définit le facteur de forme du filtrage (raideur). La sélectivité d'un récepteur est essentiellement donnée par la courbe de réponse des filtres Fi, et, pour les récepteurs bande étroite, par le bruit de phase de l'oscillateur local.
Dynamique La dynamique d'un récepteur s'exprime sous plusieurs aspects: Dynamique voie utile: Le rapport entre le signal le plus grand toléré à l'entrée avant apparition de distorsions, et le signal le plus faible (déterminé par le bruit du récepteur). Cette dynamique est obtenue en général par un système de contrôle automatique de gain. Blocage: Le signal maximum hors bande toléré pour un niveau de perturbation sur le signal utile. Cette performance est liée à sa plage de linéarité, les étages concernés étant ceux en amont du filtrage fi. Intermodulation : Lorsque le récepteur reçoit sur son entrée antenne deux signaux forts, décalés de son canal utile respectivement de DF et de 2DF, le phénomène d'intermodulation d'ordre 3 provoquera l'apparition d'un signal parasite sur son canal utile. Les étages concernés sont ceux situés en amont du filtrage Fi. La protection contre l'intermodulation s'évalue par le "point d'interception d'intermodulation" en entrée. Voir intermodulation.
La conception d'un récepteur pour des signaux à faible dynamique dans un environnement de bruit radioélectrique stable (par exemple un récepteur de télévision satellitaire) est en effet beaucoup plus simple que celle d'un récepteur de trafic, capable de recevoir un signal à un niveau de 1 microvolt avec des signaux de fréquence proche à des niveaux de par exemple.
Stabilité Le terme stabilité regroupe plusieurs notions, liées aux variations des performances en fonction de la température, de la tension d'alimentation et du vieillissement.
Le point essentiel est la dérive de l'accord, donc de la fréquence reçue, en fonction de la température et du temps. Elle s'exprime selon diverses échelles de temps : à court terme, pendant le démarrage d'un récepteur ; à moyen terme, selon température et alimentation, en Hz par degrés C (Hz/°C) ; à long terme, selon le vieillissement des composants, en limites de variation absolue.
Pour assurer la stabilité en fréquence, les récepteurs peuvent utiliser des techniques de compensation, de stabilisation en température, de commande automatique de fréquence (CAF), des oscillateurs à quartz commandant un synthétiseur, des horloges maître externes, par exemple atomiques, comme certains récepteurs GPS militaires.
Quand tous les oscillateurs d'un récepteur sont commandés par un « oscillateur maître » unique, c'est la stabilité de cet oscillateur qui fixe la performance. Les ordres de grandeur de stabilités possibles varient de 10 pour un quartz standard à 10 pour un quartz sélectionné et stabilisé en température (TCXO ou OCXO), jusqu'à 10 pour une horloge atomique.
Bruit de phase Cette performance définit les fluctuations de phase ajoutées au signal par le récepteur. Elle est essentielle pour les démodulation de phase (GPS par exemple) ou de fréquence à bande étroite. Ces fluctuations sont dues principalement aux oscillateurs locaux, à la qualité de l'oscillateur maître et aux méthodes de synthèse qui suivent. Les oscillateurs locaux obtenus par multiplication d'un oscillateur à quartz, ou par synthèse de fréquence directe, présentent un bruit de phase plus faible que ceux obtenus par VCO et synthèse de fréquences à boucle de phase.
Elle se définit en rapport signal sur bruit du signal en bande de base, ou du signal démodulé, pour une entrée antenne à fort niveau (afin de ne pas avoir du bruit thermique, caractérisé par la sensibilité).
Réglage d'accord On appelle "accord" le fait d'amener un circuit LC sur une fréquence désirée. Certains circuits peuvent nécessiter un accord variable, si plusieurs fréquences doivent être reçues. Ce sont les filtres d'entrée RF, et l'oscillateur local. Selon qu'un récepteur doit recevoir un canal fixe ou une sélection de canaux, ou une bande de fréquence continue, il utilisera diverses techniques d'accord : du plus simple : récepteur monocanal (GPS, télécommande de portail, etc.) ; au plus sophistiqué : récepteur à réglage continu par pas de couvrant de à (récepteur de trafic ou de renseignement).
Historiquement, l'accord des récepteurs se faisait par des composants LC variables dans les filtres RF et oscillateurs. Aujourd'hui, l'accord variable de l'amplificateur RF continue de se faire par des éléments d'accord variables, alors que l'accord de l'oscillateur local est effectué par le système de synthèse: boucle à verrouillage de phase, ou synthèse directe (DDS).
Fréquences images et autres réponses parasites Un récepteur étant programmé sur un canal donné ("voie utile"), on observera souvent qu'il peut présenter une réponse sur d'autres fréquences, si le niveau de signal sur ces fréquences est élevé. On évalue cette performance par le niveau antenne nécessaire pour produire une réponse sur ces fréquences.
La réponse parasite la plus connue pour les récepteurs à changement de fréquence, est la fréquence image principale: C'est l'autre fréquence (autre que la fréquence utile) qui donne par combinaison avec l'oscillateur local Fo, une fréquence égale à Fi.
Si des signaux de fréquences Fo et Fp sont appliqués à l'entrée du mélangeur, on retrouve en sortie des signaux à Fo et Fp mais aussi à Fo + Fp et |Fo - Fp|. Le filtre Fi va supprimer les composantes Fo, Fp et Fo + Fp, ne laissant que la composante |Fo - Fp| appelée fréquence intermédiaire, Fi.
L'utilisation d'un mélangeur introduit aussi des produits de mélange non désirés: si le récepteur est conçu pour Fo = Fp+Fi, un signal d'entrée à la fréquence Fo+Fi sera également reçu. Cette fréquence Fo+Fi (soit Fp+2Fi) est appelée "fréquence image" et doit être éliminée au niveau du filtre d'entrée.
Les autres réponses parasites éventuelles sont:
- La fréquence image du deuxième mélange, s'il existe.
- Toutes les fréquences Fp en entrée, combinées avec Fo, telles que n Fp + m Fo = Fi (où n et m sont des entiers relatifs). Ces réponses sont essentiellement dues aux phénomènes de non linéarité, notamment du mélangeur. Pour les recherches exhaustives, on considérera même toutes combinaisons des oscillateurs présents dans le récepteur, avec les fréquences d'entrée. Les réponses parasites sont déterminées par le filtrage en amont des mélangeurs, par les caractéristiques d'intermodulation des mélangeurs, et par la pureté spectrale des oscillations appliquées à ces mélangeurs.
Distorsion du signal démodulé
Le signal issu du démodulateur aura généralement une forme différente du signal qui a servi à moduler l'émetteur. Pour les récepteurs analogique, elle est souvent exprimée sous forme d'un pourcentage de distorsion harmonique. Pour les récepteurs de signaux numériques, on utilisera le diagramme de l'œil.