De Marconi au SDR

Au cours des 110 dernières annĂ©es, nous avons Ă©voluĂ©s en 9 architectures de transmission et de rĂ©ception diffĂ©rentes. Voici l’histoire de la RADIO survolĂ©e en quelques dates
Mise Ă jour de l’article paru le 29 juin 2015
Tout d’abord comparons par exemple :
Le cockpit d’un ancien avion.
Celui d’un avion du 21ème siècle (Boeing 787)
La diffĂ©rence c’est qu’avant tout Ă©tait analogique tandis que maintenant tout est numĂ©rique.
En radio, c’est pratiquement la mĂŞme chose, il y a eu un basculement vers le TOUT NUMÉRIQUE. Mais voyons maintenant tout cela en dĂ©tails…
Contenus de l'article
Évolution des architectures, années par années :
1832
James Lindsay fait une démonstration de télégraphie sans fil (TSF) à ses élèves. En 1854, il réussit à communiquer entre Dundee et Woodhaven en Écosse, sur 3 km, en utilisant l’eau comme milieu de réflexion.
1902
Guglielmo Marconi réalise la première transmission radio entre Saint-Jean de Terre-Neuve (au Canada) et Poldhu dans le sud du comté de Cornouailles (en Angleterre). Ce qui lui valut le prix Nobel en 1909, partagé avec Karl ferdinand Braun.
Mais la première communication à courte distance par radio avait déjà été démontrée en 1893 par Nikola Tesla.
En fait, le début de la radio se résumait à ceci : une antenne la plus réceptive possible, un détecteur et un haut parleur.
1907
L’AmĂ©ricain Lee De Forest invente la première lampe amplificatrice Ă cathode chaude (triode) qui sera le dĂ©part de toute l’industrie radio-Ă©lectronique.
1912
Arrive une nouvelle étape dont les caractéristiques sont les suivantes :
- Le réglage de fréquences ce fait par réaction positives de la Fréquence aidée par la détection du Cristal, ce qui donne un regain de sensibilité.
- La détection ce fait en AM puis en BLU et enfin en CW, lors de la découverte de ces nouveaux modes de transmission radio.
- Le dĂ©faut de ce système c’est qu’il fallait ajuster constamment la frĂ©quence, ce qui le rendait très instable.
- Il faut savoir qu’Ă cette Ă©poque, lĂ que seule propagation connue Ă©tait l‘onde de sol.
- Ci-contre : le schĂ©ma simplifiĂ© d’un Ă©metteur.
1916
Quatre ans plus tard, toujours Ă la recherche d’amĂ©liorations, le système nĂ©cessite un nombre plus important de composants dont ses principales caractĂ©ristiques sont : plusieurs Ă©tages amplificateurs RF et une sĂ©lectivitĂ© successive par Ă©tage.
Cette Ă©volution nĂ©cessite l’utilisation de tubes plus chers. Mais le système est instable et cause des oscillations parasitaires, ce qui rend en dĂ©finitive le rĂ©glage difficile et la sensibilitĂ© très mĂ©diocre.
1922
Vient ensuite l’air du Super Regenerative ou rĂ©cepteur homodyne dont voici le schĂ©ma de base :
Ce DCR aussi connu comme HOMODYNE avait un design radio qui démodulait le signal RF en utilisant un mélangeur piloté par un oscillateur local, ayant une fréquence identique à la porteuse du signal à recevoir.
- Le système était plus facile à régler et plus stable.
- Mais il n’y avait toujours pas de FI.
- Les ingénieurs utilisait un circuit Quench pour le stabiliser.
- Cette architecture était idéale pour les signaux à large bande comme la FM mais pas pour la CW ni pour le BLU.
- Des problèmes apparaissaient suite aux surmodulations des stations plus fortes.
- Malgré cela en décembre 1921, Radio Tour Eiffel diffusa son premier concert.
1928
De mieux en mieux ! voici l’air du SuperhĂ©tĂ©rodyne. C’est le mĂŞme schĂ©ma de principe que notre vieille TV grâce Ă l’invention du tube cathodique par Karl Braun ou de notre radio de voiture. Le mĂŞme schĂ©ma Ă©galement des vieux scanners qui existent toujours et nos anciens Tx, Hilberling, Kenwood, Icom, Ten-Tec, Elecraft et Yaesu qui sont toujours sur le marchĂ© aujourd’hui.
Regardez bien ce schĂ©ma il est très intĂ©ressant. Vous constatez plusieurs goulots d’Ă©tranglement et de distorsion. Mais parti de rien, il Ă©voluera au cours des annĂ©es.
Pendant la Seconde Guerre mondiale, les laboratoires des belligĂ©rants perfectionnèrent de nouvelles applications. Des milliers d’Ă©metteurs-rĂ©cepteurs mobiles Ă©quipèrent chars, avions et commandement. Le Talkie-walkie fait son apparition en 1941 sous forme d’un Ă©metteur-rĂ©cepteur radio rĂ©ellement portatif, pour des liaisons radiophoniques sur de courtes distances. DĂ©jĂ , s’annonce l’ère de la miniaturisation avec la dĂ©couverte du transistor en 1947 qui remplacera le tube Ă©lectronique.
Tandis que des milliers d’Ă©metteurs et de rĂ©cepteurs militaires dĂ©classĂ©s permettent aux radioamateurs de s’Ă©quiper dans les « surplus », avec les « Fug » allemand et les « command set » amĂ©ricains, la radio se dĂ©veloppe et le rĂ©cepteur grand public se standardise.
1980
Avec la dernière guerre, beaucoup de choses ce sont améliorées. Par exemple le nombre de RadioAmateurs dans le monde à augmenté en flèche. Les radios pour ce « hobby » sont devenues plus sophistiqués et il est devenu un vrai marché à but lucratif. Icom, Yaesu et Kenwood commencent à dominer le secteur de la fabrication de radio-émetteurs. Une toute nouvelle technologie à vu le jour avec de meilleurs prix.
« Par rapport à un système à triple conversion typique, le système de double conversion est plus difficile à mettre en œuvre, mais il réduit considérablement la distorsion du signal et fournit au processeur DSP un signal RF de haute fidélité».
C’est ce que disaient les ingĂ©nieurs d’ICOM pour leur dernier bĂ©bĂ©, le ICOM-7600.
1999
Les ingénieurs étaient toujours confrontés à de la distorsion introduite à chaque étape du filtrage et les inconvénients étaient multiples.
Plusieurs problèmes persistaient :
- Du bruit (CRUD) était amplifié à chaque étape !
- Seuls les signaux finaux IF pouvaient être réglés.
- Il y avait une vue limitée du spectre.
- Pour un meilleur filtrage, il fallait des filtres à quartz, coûteux et multiples.
Au final, la Technologie de l’hĂ©ritage analogique avait atteint ses limites pratiques, car cela demandait de plus en plus de filtres coĂ»teux pour amĂ©liorer la sĂ©lectivitĂ©. Cela devenait une technologie coĂ»teuse pour amĂ©liorer la gamme des dynamiques et des composants analogiques qui devenaient aussi rares Ă obtenir,
Chaque Ă©tape accentuait la distorsion et le bruit interne. Il fallait beaucoup d’€uros pour une amĂ©lioration mineure. Il fallait trouver quelque chose d’autre !
Mais dĂ©jĂ en 1991, le consultant scientifique amĂ©ricain Joseph MITOLA qui a travaillĂ© en temps que « Program Manager » pour la dĂ©fense amĂ©ricaine (passĂ© chez ITT pui IBM), lança l’idĂ©e d’appliquer ses dĂ©couvertes au civil. Il se spĂ©cialisa finalement sur le SDR et la RADIO COGNITIVE.
En deux mots, la RC est dĂ©crite comme l’approche qui permet aux objets communicants et Ă leurs rĂ©seaux associĂ©s, d’intĂ©grer l’intelligence nĂ©cessaire Ă la prise de conscience des besoins de l’utilisateur. Ceci correspond en dĂ©finitive au but du concept.
2000
C’est Ă cette date que les premiers SDR apparaissent. Le schĂ©ma ressemblait Ă ceci :
Les Ă©metteurs et rĂ©cepteurs radio, dont le traitement du signal (Filtrage, dĂ©modulation, dĂ©codage…) sont rĂ©alisĂ©s numĂ©riquement (sous forme digitale) Ă l’aide de programmes informatiques tournant dans des circuits spĂ©cialisĂ©s (ASIC ) ou sur PC. On parle alors de Radio Logicielle ou encore de SDR (Software Defined Radio).
Voici les caractéristiques des 1er SDR :
Les plus :
- Une distorsion minimisée avec un seul mélangeur
- Un signal clair et qui sonne mieux, donc moins de fatigue (aussi moins de distorsion) dans la bande
- À performance égale, un prix très inférieur au technologies classiques
- Un bruit amplifié par seulement 1 étape
- Le SDR peut monter jusqu’Ă 192 kHz de spectre en temps rĂ©el
- Il possède une interface graphique évolutive et adaptable
- Une faible puissance donne une plage dynamique élevée et une grosse atténuation des interférences
- Une dĂ©tection tous modes : AM, FM, BLU, CW…
Les moins :
- Le rejet de l’image est difficile Ă obtenir
- Une fréquence image pollue le spectre
- Un coût supplémentaire pour un PC puissant
- Il y a une latence, particulièrement en CW
Deux mots sur la problématique de I & Q :
Les conditions d’amplitudes Ă©gales et rigoureusement dĂ©phasĂ©es de 90° ne sont jamais rĂ©unies. Il y a toujours des Ă©carts d’amplitudes et de phases dans la bande passante mais ce n’est pas constant.
Pour obtenir une suppression de la bande latérale non souhaitée de l’ordre de 40 dB, le calcul montre que la précision sur le déphasage de 90° dans la bande de fréquence envisagée (soit ici de 300 à 3000 Hz) doit être de l’ordre du ½ degré près.
La littérature sur le sujet nous dit qu’un tel déphaseur est impossible à réaliser. Une des solutions envisagées consiste donc à introduire dans chaque voie I et Q un filtre passe-tout, dont la phase varie de façon linéaire avec le logarithme de la fréquence entre 300 et 3000Hz.
En calculant judicieusement ces filtres, les chercheurs obtiennent une différence de phase constante de quasiment 90° entre les sorties des filtres.
Plus les filtres ont de pôles, plus on reste près de 90° et plus la réjection de la bande latérale indésirable est importante.
2009
De nombreuses amĂ©liorations apparaissent. Il y a une meilleure clartĂ© du signal, on peut aisĂ©ment voir plusieurs bandes le largeurs variables et avoir plusieurs rĂ©cepteurs, la plage de dynamique est extrĂŞmement Ă©levĂ©e et peut fonctionner dans les pires conditions – IP3 + 50db + 125dB Dynamic Range ou mieux.
Le SDR possède une extrême flexibilité grâce à la programmation (ultime SDR) qui a des avantages sociaux futurs.
L’ inconvĂ©nient c’est l’Ă©norme bande passante entre la Radio et le PC. L’ADC est plus rapide et moins cher, l’Ă©chantillonnage direct RF est l’idĂ©al pour le SDR, les pièces analogiques sont Ă©liminĂ©es, le traitement du volume des donnĂ©es est immense, 122-350 millions d’Ă©chantillons de 16 bits/sec, le traitement DSP se fait en externe. Mais on a besoin d’un PC très rapide et d’une chaĂ®ne Big Data.
2012
Voici la suivante mais certainement pas la dernière évolution significative, elle apporte encore plus de modifications.
Caractéristiques générales de cette dernière évolution :
- Processus de traitement du signal de l’antenne Ă la dĂ©modulation complètement digital
- Mixage digital avec CORDICS/FIR Filters pour une largeur de bande utilisable
- La distorsion est minimisée (ADC@ antenne) pour une meilleure clarté du signal
- Plusieurs récepteurs, plusieurs Panadapters et de différentes largeurs pour voir plusieurs bandes
- Plage dynamique extrêmement élevée
- Encore plus de flexibilité grâce à la programmabilité
- Un PC normal est requis pour afficher seulement la vidéo
- La diminution de la bande passante est acceptable entre le PC et la radio
- Mais revers de la mĂ©daille, maintenant techniquement difficile de concevoir et d’Ă©crire des logiciels
Voici le schĂ©ma que nous avons (souvenez-vous du premier). Grâce maintenant aux processeur internes toujours plus rapides ce trouvant dans le DSP et non plus dans le PC, un simple regard sur ce schĂ©ma et vous comprenez l’immense avancĂ©e des recherches. Les SDR Ă conversion direct de la RF ont beaucoup plus d’adeptes que de dĂ©tracteurs !
Si vous n’ĂŞtes pas persuadĂ©s, voici le Panadapter comparĂ© lors de la rĂ©ception d’un signal sous un niveau de bruit. Vous constatez que le Flex6700 Ă une rĂ©jection de bruit supĂ©rieur Ă l’IC-7800 ou mĂŞme au Hilberling beaucoup plus cher. Ce qui permet automatiquement de sortir une station du bruit. Le filtrage est bien meilleur.
La qualitĂ© du SDR repose jusqu’à 80% sur la qualitĂ© du logiciel (DSP, Filtres, DĂ©modulation….).
Il y a les logiciels propriétaires comme Perseus, PowerSDR de Flexradio, Smarsdr, Studio et Spectravue de RFSpace.
Et Des logiciels libres comme SDRMAX de N8VB, CuSDR de DL3HVH, SDR#, HSDR, Winrarad, Rocky de Ve3Nea, SDR Radio et GNU Radio.
SDR en HF :
Il existe quatre grands projets de transceiver aboutis pour le moment
La série FLEX-6000 avec le 6300/6500/6700 :
L’ANAN sĂ©rie 10/100/100D/200D :
L’Elad FDM-DUO :
Le sunSDR MB1 :
Pour terminer deux mots sur le DSP :
Le DSP qu’on pourrait traduire par « Processeur(sus) de Traitement du Signal NumĂ©rique » se distingue des autres domaines de l’informatique par le fait que les donnĂ©es traitĂ©es sont des signaux issus du monde rĂ©el (vibrations, images, ondes sonores…).
Apparu dans les annĂ©es 60 – 70 avec le dĂ©veloppement de l’informatique, le DSP est devenu aujourd’hui une connaissance de base incontournable que les ingĂ©nieurs doivent possĂ©der.
Il correspond aux techniques (mathématiques et algorithmes) utilisés pour manipuler les signaux après qu’ils aient été convertis sous une forme digitale.
Ressources pour cet article :
Réalisé grâce au partage et à la gentillesse de Howard S. White Ph.D. P. Eng., VE3GFW/K6 ex-AE6SM KY6LA.
Classification des SDR : F4dan.free.fr
Deux livres en particulier : Dspguru.com et : Dspguide.com
par Albert MĂĽller | ON5AM | Twitter | Facebook