Préparation du TP de télécommunications

Transcription

1 Préparation du TP de télécommunications Partie II : Transmission par faisceau infra-rouge: Etude du récepteur. (deux séances de TP) NB: La préparation de TP doit être faite avant la première séance 1 Présentation du dispositif: Le présent TP a pour objectif de mettre en oeuvre un système de transmission de signal lumineux infra-rouge fonctionnant en modulation d'amplitude (= Amplitude Modulation). La figure 1 présente le principe de fonctionnement du dispositif. Le banc optique utilisé est constitué de deux diodes, l'une émettrice, l'autre réceptrice, alignées sur un rail. Un chariot mobile supportant la diode émettrice permet de faire varier la distance x de la transmission entre 0 et 1m. Banc optique m Bloc 1 Génération du signal s Bloc 2 Commande de la DEL (conversion tension/courant) (porteuse à 100kHz) Courant Diode émettrice Intensité lumineuse I e x Photodiode réceptrice ' Courant généré ' Bloc 3 Conversion courant/tension s Bloc 4 (porteuse à 100kHz) Amplification Filtrage Démodulation m Bloc 5 Etage de puissance Haut-parleur Figure 1: Principe de la transmission par signal lumineux. Préparation_Reception_2009.odt p.1/5

2 Du côté de l'émission, le signal m est l'information à transmettre. Il est tout d'abord mis en forme, puis multiplié par une porteuse sinusoïdale, de manière à générer le signal (bloc n 1). Le bloc n 2 assure ensuite la conversion tension/courant. En effet, la diode émettrice génère un flux lumineux proportionnel à l'intensité du courant qui la traverse. Au niveau du banc optique, le signal en amplitude est contenu dans la variation de l'intensité lumineuse. Du côté de la réception, la photodiode génère un courant dont l'intensité (électrique) est proportionnelle à l'intensité lumineuse reçue. Il est nécessaire, dans un premier temps, de convertir le courant généré par la photodiode en un niveau de tension (bloc n 3). Le bloc n 4 assure l'amplification, le filtrage et la démodulation du signal, pour extraire le signal. Enfin, le bloc n 5 est un étage de puissance destiné à débiter sur un haut-parleur. Il est ainsi possible d'écouter le signal (dans le cas où il s'agit d'un signal audiofréquence). 2 Dimensionnement de la partie réceptrice du montage: La partie réceptrice du montage (blocs n 3, 4 et 5) est détaillée sur la figure 2. Bloc 4 lumineux i R Bloc 3 Conversion courant /tension v 1 Tension e Bloc 4.1 f C Filtre passe-haut v 2 Bloc 4.2 Bloc 4.3 G max f cb f ch Amplificateur sélectif v 3 Détecteur de crête Démodulation v 4 = m Bloc 5 Etage de puissance Haut-parleur Figure 2: Synoptique de la partie réception. 2.1]Etude de la conversion courant/tension: La conversion courant/tension est assurée par un astucieux montage utilisant un amplificateur opérationnel (AOP) et une résistance. Lorsque la distance de la transmission optique vaut 50 cm, la photodiode réceptrice produit un courant électrique inverse pouvant varier entre 0 et 0,5 µa. En notant ΔI R l'amplitude des variations de ce courant inverse (l'indice R signifie Reverse ), on a par conséquent: ΔI R = 0,5 µa. Le montage proposé pour le bloc 3 génère une composante continue de l'ordre de 5 volts sur sa tension de sortie, ainsi qu'une variation proportionnelle à celle du courant de la photodiode. La figure 3 illustre l'allure de la tension v 1 que l'on obtient en sortie du convertisseur courant/tension. Préparation_Reception_2009.odt p.2/5

3 Q1- On désire que cette tension ait une amplitude crête à crête égale à ΔV 1 = 20 mv. Calculer le gain de conversion tension/courant Q2- En quelle unité ce gain s'exprime-t-il? v 1 V 1 I R. V 0 ΔV 1 0 Figure 3: Allure temporelle de la tension obtenue en sortie du convertisseur courant/tension. Q3- Le montage proposé pour réaliser la conversion courant/tension est présenté sur la figure 4. Exprimer le potentiel de l'entrée non inverseuse de l'aop (V + ) en fonction de R 4, R 7 et de la tension d'alimentation V CC. On désire que V + = 5V. Proposer des valeurs numériques pour R 4 et R 7. t V CC = +15V R 4 OPA _ R 7 I R R 3 V D V 1 Figure 4: Montage permettant la conversioncourant/tension. Q4- Exprimer la tension de sortie v 1 en fonction de V D, I R et R 3. Q5- Déduire des questions Q3 et Q4 que v 1 peut s'exprimer sous la forme: v 1 t =V 0 K I R t Où V 0 et K sont des quantités que l'on exprimera en fonction de V CC, R 4, R 7 et R 3. Q6- Quelle valeur doit-on choisir pour R 3 si l'on désire obtenir le gain de conversion de la question Q1? Préparation_Reception_2009.odt p.3/5

4 2.2]Dimensionnement du filtre passe haut: Le signal v1 obtenu en sortie du convertisseur courant/tension est en amplitude, et il peut s'exprimer sous la forme suivante: v 1 t = V 0 A [1 m t ] cos 2 f p t p Pour simplifier, nous supposons tout au long de cette étude que le signal est sinusoïdal: m t = M 2 cos 2 f m t m Q7- Représenter graphiquement le spectre du signal v 1. Précisez sur votre graphe la fréquence de chaque raie, ainsi que son amplitude. Q8- Le filtre passe-haut (bloc 4.1 de la figure 2) sert à couper la composante continue de v 1, c'est à dire à supprimer sa valeur moyenne V 0, mais sans dégrader la partie variable qui est porteuse de l'information à transmettre. On appelle f C la fréquence de coupure du filtre passehaut. Quelle relation doit vérifier f C pour satisfaire le cahier des charges. Choisir une valeur convenable pour f C. Q9- Proposer un montage de filtre passe-haut passif du premier ordre utilisant un condensateur (que l'on notera C 9 ) et une résistance (que l'on notera R 11 ). Proposer des valeurs adéquates pour C 9 et R ]Dimensionnement de l'étage amplificateur: L'étage amplificateur réalise non seulement l'amplification du signal, mais aussi un filtrage passe-bande. Q10- On désire que la tension v 3 obtenue en sortie de l'étage amplificateur (bloc 4.2) ait une amplitude crête à crête ΔV 3 = 10 V. Calculer l'amplification nécessaire (en échelle linéaire). A = V 3 V 2. Calculer le gain correspondant en décibels. Q11- Quelle condition doivent vérifier les fréquences de coupure basse (notée f cb ) et haute (notée f ch ) du filtre passe-bande afin de laisser passer le signal sans le dégrader? Proposer des valeurs numériques convenables pour f cb et f ch. Q12- Les amplificateurs opérationnels utilisés lors de ce TP sont du type OPA2604. Leur produit gain-bande vaut 25 MHz. Un montage amplificateur utilisant un seul AOP permet-il d'obtenir le gain désiré à la fréquence de la porteuse (f p = 100 khz)? Quelle solution proposez-vous pour obtenir le gain voulu à la fréquence désirée? Préparation_Reception_2009.odt p.4/5

5 2.4]Etude de la démodulation: Le dispositif de démodulation du signal fonctionne sur le principe de la détection de crête, présenté sur le schéma électrique de la figure 5. I D3 V D3 V 3 R 3 C 1 V 4 = m informatif Figure 5: Démodulation du signal par détection d'enveloppe. Lors des phases ascendantes de la tension v 3, la tension v D3 aux bornes de la diode tend à devenir positive. D3 devient par conséquent passante, et v D3 vaut alors 0,6 Volts. Lors des phases descendantes de v 3, celle-cécroît plus rapidement que v 4. v D3 devient négative, et la diode se bloque, isolant la cellule [R 3 ;C 1 ] du reste du circuit. A partir de cet instant, le condensateur C 1 se décharge à travers R 3, et on observe une décroissance exponentielle (lente) de v 4. Q13- Représenter sur un même graphe les tensions v 3 et v 4. Q14- Le choix de la constante de temps R 3 C 1 du circuit de démodulation est le résultat d'un compromis. En effet, celle-ci ne doit être choisie ni trop faible, ni trop grande. Expliquer ce qu'il se passe si la constante de temps R 3 C 1 est choisie trop faible. Sur le même graphe que celue la question Q13, représenter l'allure obtenue pour v 4 lorsque R 3 C 1 est choisie trop faible. Q15- Même question lorsque la constante de temps R 3 C 1 est choisie trop grande. Représenter sur le graphe l'allure de la tension de sortie v 4. Préparation_Reception_2009.odt p.5/5