De Marconi au SDR

Au cours des 110 dernières années, nous avons évolués en 9 architectures de transmission et de réception différentes. Voici l’histoire de la RADIO survolée en quelques dates

Mise à 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 21^ème siècle (Boeing 787)

La différence c’est qu’avant tout était analogique tandis que maintenant tout est numérique.

En radio, c’est pratiquement la même chose, il y a eu un basculement vers le TOUT NUMÉRIQUE. Mais voyons maintenant tout cela en détails…

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’Américain Lee De Forest invente la première lampe amplificatrice à cathode chaude (triode) qui sera le départ de toute l’industrie radio-électronique.

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 défaut de ce système c’est qu’il fallait ajuster constamment la fréquence, ce qui le rendait très instable.
• Il faut savoir qu’à cette époque, là que seule propagation connue était l‘onde de sol.
• Ci-contre : le schéma simplifié d’un émetteur.

1916

Quatre ans plus tard, toujours à la recherche d’améliorations, le système nécessite un nombre plus important de composants dont ses principales caractéristiques sont : plusieurs étages amplificateurs RF et une sélectivité successive par étage.

Cette évolution nécessite l’utilisation de tubes plus chers. Mais le système est instable et cause des oscillations parasitaires, ce qui rend en définitive le réglage difficile et la sensibilité très médiocre.

 1922

Vient ensuite l’air du Super Regenerative ou récepteur homodyne dont voici le schéma 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 Superhétérodyne. C’est le même schéma de principe que notre vieille TV grâce à l’invention du tube cathodique par Karl Braun ou de notre radio de voiture. Le même schéma également des vieux scanners qui existent toujours et nos anciens Tx, Hilberling, Kenwood, Icom, Ten-Tec, Elecraft et Yaesu qui sont toujours sur le marché aujourd’hui.

Regardez bien ce schéma il est très intéressant. Vous constatez plusieurs goulots d’étranglement et de distorsion. Mais parti de rien, il évoluera au cours des années.

Pendant la Seconde Guerre mondiale, les laboratoires des belligérants perfectionnèrent de nouvelles applications. Des milliers d’émetteurs-récepteurs mobiles équipèrent chars, avions et commandement. Le Talkie-walkie fait son apparition en 1941 sous forme d’un émetteur-récepteur radio réellement portatif, pour des liaisons radiophoniques sur de courtes distances. Déjà, s’annonce l’ère de la miniaturisation avec la découverte du transistor en 1947 qui remplacera le tube électronique.

Tandis que des milliers d’émetteurs et de récepteurs militaires déclassés permettent aux radioamateurs de s’équiper dans les « surplus », avec les « Fug » allemand et les « command set » américains, la radio se développe et le récepteur 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 ingénieurs d’ICOM pour leur dernier bébé, 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’héritage analogique avait atteint ses limites pratiques, car cela demandait de plus en plus de filtres coûteux pour améliorer la sélectivité. Cela devenait une technologie coûteuse pour améliorer la gamme des dynamiques et des composants analogiques qui devenaient aussi rares à obtenir,

Chaque étape accentuait la distorsion et le bruit interne. Il fallait beaucoup d’€uros pour une amélioration mineure. Il fallait trouver quelque chose d’autre !

Mais déjà en 1991, le consultant scientifique américain Joseph MITOLA qui a travaillé en temps que « Program Manager » pour la défense américaine (passé chez ITT pui IBM), lança l’idée d’appliquer ses découvertes au civil. Il se spécialisa finalement sur le SDR et la RADIO COGNITIVE.

En deux mots, la RC est décrite comme l’approche qui permet aux objets communicants et à leurs réseaux associés, d’intégrer l’intelligence nécessaire à la prise de conscience des besoins de l’utilisateur. Ceci correspond en définitive au but du concept.

2000

C’est à cette date que les premiers SDR apparaissent. Le schéma ressemblait à ceci :

Les émetteurs et récepteurs radio, dont le traitement du signal (Filtrage, démodulation, décodage…) sont réalisés numériquement (sous forme digitale) à l’aide de programmes informatiques tournant dans des circuits spécialisés (ASIC ) ou sur PC. On parle alors de Radio Logicielle ou encore de SDR (Software Defined Radio).

Voici les caractéristiques des 1^er 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’à 192 kHz de spectre en temps réel
• Il possède une interface graphique évolutive et adaptable
• Une faible puissance donne une plage dynamique élevée et une grosse atténuation des interférences
• Une détection tous modes : AM, FM, BLU, CW…

Les moins :

• Le rejet de l’image est difficile à 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 égales et rigoureusement déphasées de 90° ne sont jamais réunies. Il y a toujours des écarts 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 améliorations apparaissent. Il y a une meilleure clarté du signal, on peut aisément voir plusieurs bandes le largeurs variables et avoir plusieurs récepteurs, la plage de dynamique est extrêmement élevée 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’ inconvénient c’est l’énorme bande passante entre la Radio et le PC. L’ADC est plus rapide et moins cher, l’échantillonnage direct RF est l’idéal pour le SDR, les pièces analogiques sont éliminées, le traitement du volume des données est immense, 122-350 millions d’échantillons de 16 bits/sec,  le traitement DSP se fait en externe. Mais on a besoin d’un PC très rapide et d’une chaîne 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 à la démodulation 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 médaille, maintenant techniquement difficile de concevoir et d’écrire des logiciels

Voici le schéma 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 schéma et vous comprenez l’immense avancée des recherches. Les SDR à conversion direct de la RF ont beaucoup plus d’adeptes que de détracteurs !

Si vous n’êtes pas persuadés, voici le Panadapter comparé lors de la réception d’un signal sous un niveau de bruit. Vous constatez que le Flex6700 à une réjection de bruit supérieur à l’IC-7800 ou même au Hilberling beaucoup plus cher. Ce qui permet automatiquement de sortir une station du bruit. Le filtrage est bien meilleur.

La qualité du SDR repose jusqu’à 80% sur la qualité du logiciel (DSP, Filtres, Démodulation….).

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 série 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 Numérique » se distingue des autres domaines de l’informatique par le fait que les données traitées sont des signaux issus du monde réel (vibrations, images, ondes sonores…).

Apparu dans les années 60 – 70 avec le développement de l’informatique, le DSP est devenu aujourd’hui une connaissance de base incontournable que les ingénieurs doivent posséder.
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 Müller | ON5AM | Twitter | Facebook