F5CNQ DU RECEPTEUR SUPERHETERODYNE A L ANALYSEUR DE SPECTRE A BALAYAGE SOLISTOR (1956) HP 8566 (1980) Jacques Collange Jean-pierre Lievre

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1 DU RECEPTEUR SUPERHETERODYNE A L ANALYSEUR DE SPECTRE A BALAYAGE SOLISTOR (1956) HP 8566 (1980) ONDEXPO 2015 Espace Ecully Jacques Collange Jean-pierre Lievre

2 UNE TRANSITION TECHNIQUE Amplification directe Philips 834 Ampli HF Détecteur Ampli BF (1930) (accordé) Problème : améliorer sensibilité et sélectivité Superhétérodyne : changement de fréquence Mélangeur Philips 521 (1934) Ampli HF Oscillateur Local Ampli FI Détecteur Ampli BF

3 LES INVENTEURS Lucien Lévy ( ) Le premier portable! Edwin Armstrong ( ) Superhétérodynette Deux avis opposés («Toute la radio 1934») : L'atout principal de l'amplification directe, c'est quelle ne comporte qu'une seule détection (*), agissant sur des signaux déja trés puissants. Or on sait de mieux en mieux que la grande coupable des altérations de la musique, c'est la détection et la première détection (ou modulation) du super qui travaille dans des conditions particulièrement défavorables. La technique radio électrique n'est pas immuable, et, si l'on peut être en retard sur elle - certains nous en donnent d'affligeantes preuves - on peut aussi être en avance... Il va de soi qu'un poste juste-milieu implique,..., une sélectivité poussée : ce sera un superhétérodyne...

4 UN PEU DE MATHS Signal modulé en amplitude : s( t) A 1 mcos(2 f t) cos(2 f t) m Taux de modulation modulation porteuse m 2 s( t) A cos(2 fpt) cos(2 ( f f ) t) cos(2 ( f f ) t) p p m p m Amplitude Spectre A Am/2 Am/2 f p f m f fp fm p fréquence

5 UN PEU DE MATHS Changement de fréquence : multiplication par Bcos(2 f OL t) s'( t) s( t). Bcos(2 f t) AB s '( t) 1 mcos(2 f t) cos(2 ( f f ) t) cos(2 ( f f ) t) 2 La multiplication entraine une double translation du signal modulé en amplitude, vers les basses et vers les hautes fréquences : m p OL p OL OL Amplitude Translations (B) (H) ampli FI Spectre f OL f p f p f OL f fp fol p fréquence

6 FREQUENCE IMAGE Fréquence image Le mélangeur reçoit des signaux de fréquences f et f OL. Si on l assimile à un simple multiplieur il délivre en sortie des signaux de fréquences : f f OL et f fol. Supposons que la fréquence de l oscillateur local soit supérieure à la fréquence désirée f d, on a : f f f d OL FI f Image f Désirée FI FI Malheureusement un signal d entrée de fréquence fi fol f f FI d fol sera aussi détecté! C est la fréquence «image», on l élimine par filtrage à l entrée («préselecteur»). fi

7 Maquette de récepteur SUPERHETERODYNE Signal modulé en amplitude f f p m 1 MHz 1kHz Mélangeur ffi 455kHz Ampli HF Ampli FI Détecteur Ampli BF Oscillateur Local fol 1,455 MHz Suivons le signal

8 ANALYSEUR WANDEL GOLTERMANN SNA-3A 20 HZ 180MHz

9 Sortie Signal à 1 MHz modulé en amplitude à 1 khz 1 Porteuse Bande latérale Bande latérale inférieure supérieure Niveau max : - 16 dbm

10 Sortie 2 Analyseur centré à f OL f p (translation B) f f f OL p FI ffi fm ffi fm Niveau max : - 46 dbm

11 Sortie 2 Analyseur centré à f OL + f p (translation H) fol f p f ' f ' f f ' f m m Niveau max : - 55 dbm

12 Sortie 3 A.S. centré à f FI = f OL f p A.S. centré à f Ol + f p f FI f FI fm ffi fm Plus rien Niveau max : - 18 dbm

13 Sorties 3 4 Oscillogrammes 3 4 Signal modulé en amplitude Signal détecté Sur le signal détecté noter : la présence d une composante continue éliminée par filtrage passe-haut la présence d un «résidu» à la fréquence f FI, éliminé par filtrage passe-bas.

14 Signal et spectre Un signal s (ex : signal carré) évolue au cours du temps : s = s(t). L oscilloscope permet de visualiser s(t) : Selon J.FOURIER ce signal peut être décomposé en une somme de fonctions sinusoïdales : A n cos(2 f n t+j n ) L analyseur de spectre permet de visualiser les amplitudes A n en fonction des fréquences f n. Cela constitue le spectre A(f) du signal :

15 Signal et spectre Double représentation du signal : temporelle et fréquentielle Amplitude A Fréquence f Temps t Représentation temporelle Représentation fréquentielle

16 ENCORE UN PEU DE MATHS! Signal périodique : décomposition en série de Fourier Soit s(t) un signal périodique de forme quelconque : s(t) t J.Fourier ( ) J.Fourier a montré qu il peut s écrire comme la somme de fonctions sinusoïdales de pulsations n.w (w = 2 /T), fondamental et harmoniques : s( t) A A cos( wt j ) A cos(2 wt j )... A cos( nwt j )... o n n Valeur moyenne Amplitude du fondamental Amplitude de l harmonique 2 Amplitude de l harmonique n

17 QUELQUES EXEMPLES DE SPECTRES Oscillogramme Spectre E E T T t s( t) E cos( wt) 4E cos( wt) cos(3 wt) cos( nwt ) st ( ) t 1 3 n E T t 8E cos( wt) cos(3 wt) cos( nwt ) st ( ) n

18 ANALYSEUR DE SPECTRE L analyseur de spectre à balayage utilise le principe du récepteur superhétérodyne : il procède par translation de fréquence Il va nous donner le spectre S(f) d un signal périodique : s(t) Pour expliquer le principe de fonctionnement on utilisera une maquette construite pour l enseignement. Les fonctions essentielles sont présentes. Cette maquette n a pas les performances d un appareil de mesure professionnel. HP 3580 (0-50 khz) Maquette (R.MOREAU) (0-80 khz)

19 Principe de l analyseur de spectre à balayage

20 Choix des fréquences Bande de fréquence analysée : 0 80 khz Filtre passe bande : fréquence centrale f FI = 40 khz Oscillateur local : f OL = 40 khz 120 khz Equation traduisant le changement de fréquences : ffi f fol Pour f FI et f Ol fixées cette équation a deux solutions : f f f et f f f 1 OL FI 2 OL FI Il faut qu à une fréquence de l oscillateur local ne corresponde qu une fréquence du signal! Il faut se débarrasser de la fréquence image

21 Nécessité du filtre passe-bas f signal 0 15 khz 80 khz f 40 khz OL FI 40 khz 55 khz 120 khz f f image 80 khz 95 khz 160 khz Un exemple : lorsque l oscillateur local est à 55 khz, la sortie du multiplieur (mélangeur) donne un signal à 40 khz pour deux fréquences (éventuellement) présentes à l entrée : 15 et 95 khz, car : = 40 et = 40 Sur l écran on a donc une seule raie pour deux composantes spectrales! Il faut éliminer à l entrée la fréquence 95 khz. Plus généralement il faut éliminer toutes les fréquences supérieures à 80 khz

22 Filtre passe bas

23 Filtre passe bas Ordre 6 et fréquence de coupure : 80 khz

24 Rampe et Oscillateur local 0 80

25 Le générateur de rampes et le VCO Un oscillateur génère des rampes : variation linéaire de tension au cours du temps. Cette tension assure le balayage horizontal qui correspond à la bande analysée : 0 à 80 khz. Cette rampe fait aussi varier linéairement la fréquence de l oscillateur local (VCO), de 40 à 120 khz. A 40 khz, le balayage est au zéro de l échelle horizontale et à 120 khz il est au point 80 khz.

26 Générateur de rampe - Oscillateur local Générateur de rampe Sortie Rampe VCO Sortie OL x(t)

27 Multiplieur (mélangeur)

28 Principe du mélangeur x( t) Acos( wt) y( t) Bcos( w t) o f

29 Multiplieur y(t) = e(t).x(t) (grandeurs en volts!)

30 Filtre passe bande La multiplication, opération non linéaire, crée de nouvelles fréquences : la somme et la différence des fréquences de e(t) et x(t). Le filtre passe bande permet de choisir, dans notre cas ce sera la fréquence différence. Rappelons que sa fréquence centrale est 40 khz. Il est il est à bande étroite, environ 1kHz, de manière à bien séparer les composantes spectrales.

31 Filtre passe bande

32 Filtre passe bande P permet de faire varier la bande passante du filtre

33 Détection A la sortie du filtre passe bande nous disposons d une tension alternative sinusoïdale dont l amplitude est proportionnelle à celle de la composante spectrale de e(t) à la fréquence affichée (car l amplitude de x(t) est constante). Cette tension est détectée et sa valeur crête est transmise à l amplificateur vertical de l oscilloscope. Un détection sans seuil est effectuée pour ne pas «oublier» les signaux de faible amplitude.

34 Détection

35 Détecteur de crêtes sans seuil

36 Les réglages de base de l analyseur Fréquence centrale Span : espace de fréquence analysé Niveau de référence Atténuateur Résolution RBW Filtre vidéo VBW Durée de balayage SWP

37 Atténuation Pour ne pas saturer le mélangeur il faut atténuer le signal d entrée. Pour une atténuation de 10 db par exemple, le gain de l ampli après mélange est augmenté de 10 db. Mais le bruit est aussi augmenté de 10 db ce qui fait monter le plancher de bruit de 10 db

38 Fréquence centrale : 1 MHz Modulation d amplitude :1 khz

39 Niveau de référence : -30 dbm Atténuation : 10 db

40 Résolution RBW : 100Hz Filtre vidéo VBW : 100Hz Durée de balayage SWP : 1.0 s

41 Influence de la RBW

42 Influence de la RBW sur le plancher de bruit Ecoutez la variation du niveau de bruit quand vous passez de la SSB à la CW!!!! Ou quand vous modifiez la largeur de bande de l amplificateur FI.

43 Un compromis nécessaire Les paramètres : SPAN (bande Df analysée), RBW (largeur B du filtre passe bande) et SWP (T durée de balayage) ne peuvent pas être choisis indépendamment. Il est clair qu avec une résolution élevée et une bande analysée large la durée de balayage doit être suffisante. On retient en général la condition suivante : Df T B 4 2 (le 4 est un facteur de «sécurité»)

44 Un compromis à respecter! B Df T Alerte!

45 Mesures absolues et relatives Mesures absolues : N(dBv) = 20.log (V/V ref ) N(dBm)=10.log(P/P ref ) où P = V 2 /R avec P ref = 1mW et R = 50 ohms Mesures relatives : N(dB)=20.log(V 1 /V 2 )=10.log(P 1 /P 2 )

46 Influence du filtre vidéo Le filtre vidéo situé entre la détection et l affichage est un filtre passe bas qui permet de lisser la courbe et de la «sortir» du bruit de fond.

47 Applications à la B.F. Test d un ampli Hi-Fi I. Mesure de la distorsion harmonique - on applique à l entrée un signal sinusoïdal à 1 khz - le spectre en sortie montre l apparition d harmoniques - ces harmoniques sont dans la bande audio et donc audibles F F : 9,2 db 2,9 V H 2 H 3 H 4 H 5 Amplitude des principales raies H 1 : -76 db 1, V H 2 : -73 db 2, V H 3 : -75 db 1, Taux de distorsion harmonique t d H H H F 0, 016%

48 Applications à la B.F. Test d un ampli Hi-Fi II. Mesure de la distorsion d intermodulation - on applique à l entrée la somme de deux signaux sinusoïdaux de fréquences f 1 = 7 khz (A 1 = 0,25 V) et f 2 = 60 Hz (A 2 = 1 V). - si le système est linéaire on ne retrouve à la sortie que ces deux fréquences. - si le système présente des non linéarités on retrouve aussi à la sortie des fréquences de la forme : mf 1 +/- nf 2 f 1 Taux de distorsion d intermodulation tdi 0,03 % f 1 -f 2 f 1 +f 2

49 CONCLUSION CE PPT SERA MIS SUR LE SITE DE L ALR. UNE LECTURE ATTENTIVE ME SEMBLE NECESSAIRE POUR ASSIMILER LES PRINCIPES ET LA MISE EN ŒUVRE. Jean pierre LIEVRE et Jacques COLLANGE,,vous remercient de votre attention.

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