Post on 13-Sep-2018
DU RECEPTEUR SUPERHETERODYNE A
L’ANALYSEUR DE SPECTRE A BALAYAGE
ONDEXPO 2015
Espace Ecully
HP 8566 (1980) SOLISTOR (1956)
Jacques Collange
Jean-pierre Lievre
F5CNQ
UNE TRANSITION TECHNIQUE
Philips 834 (1930)
Amplification directe
Philips 521 (1934)
Ampli HF
Problème : améliorer sensibilité et sélectivité
Ampli HF
(accordé) Détecteur Ampli BF
Superhétérodyne : changement de fréquence
Détecteur Ampli BF Ampli FI
Oscillateur Local
Mélangeur
F5CNQ
LES INVENTEURS
Edwin Armstrong (1890-1954)
Le premier portable ! Lucien Lévy (1892-1965)
Superhétérodynette …
• 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....
Deux avis opposés (« Toute la radio 1934 ») :
F5CNQ
UN PEU DE MATHS …
• Signal modulé en amplitude :
( ) 1 cos(2 ) cos(2 )m ps t A m f t f t
Taux de modulation modulation porteuse
( ) cos(2 ) cos(2 ( ) ) cos(2 ( ) )2
p m p m
ms t A fpt f f t f f t
Spectre
pf p mf fp mf f
A
Am/2 Am/2
Amplitude
fréquence
F5CNQ
UN PEU DE MATHS
• Changement de fréquence : multiplication par Bcos(2fOLt)
'( ) 1 cos(2 ) cos(2 ( ) ) cos(2 ( ) )2
m p OL p OL
ABs t m f t f f t f f t
Spectre
pf p OLf fp OLf f
Translations
ampli FI OL pf f
(B) (H) Amplitude
fréquence
'( ) ( ). cos(2 )OLs t s t B f t
• La multiplication entraine une double translation du signal modulé en amplitude, vers les basses et vers les hautes fréquences : F5CNQ
FREQUENCE IMAGE Fréquence image • Le mélangeur reçoit des signaux de fréquences f et fOL. Si on
l’assimile à un simple multiplieur il délivre en sortie des signaux de fréquences : et .
• Supposons que la fréquence de l’oscillateur local soit supérieure à la fréquence désirée fd, on a :
• Malheureusement un signal d’entrée de fréquence
sera aussi détecté ! C’est la fréquence « image », on l’élimine par filtrage à l’entrée (« préselecteur »).
OLf fOLf f
d OL FIf f f
i OL FIf f f OLfdf if
FIf FIfDésirée Image F5CNQ
Maquette de récepteur SUPERHETERODYNE
Suivons le signal …
Détecteur Ampli BF Ampli FI
Oscillateur Local
Mélangeur
Ampli HF
1 2 3 4
Signal modulé en amplitude
1pf MHz
1mf kHz
1,455OLf MHz
455FIf kHzF5CNQ
ANALYSEUR WANDEL GOLTERMANN SNA-3A
20 HZ 180MHz
F5CNQ
Porteuse
Bande latérale
supérieure
Bande latérale
inférieure
Sortie Signal à 1 MHz
modulé en amplitude à 1 kHz
1
Niveau max : - 16 dBm
F5CNQ
Sortie Analyseur centré à fOL – fp
(translation B)
2
OL p FIf f f
FI mf f FI mf f
Niveau max : - 46 dBm
F5CNQ
Sortie Analyseur centré à fOL + fp
(translation H)
2
'OL pf f f
' mf f' mf f
Niveau max : - 55 dBm
F5CNQ
Sortie 3
A.S. centré à fFI = fOL – fp A.S. centré à fOl + fp
FIf
FI mf fFI mf f
Plus rien …
Niveau max : - 18 dBm
F5CNQ
Sorties 4 3
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 fFI, éliminé par filtrage passe-bas.
F5CNQ
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 : Ancos(2fnt+jn)
• L’analyseur de spectre permet de
visualiser les amplitudes An en fonction des fréquences fn.
Cela constitue le spectre A(f) du signal :
F5CNQ
Représentation temporelle
Représentation fréquentielle
Signal et spectre
Double représentation du signal : temporelle et fréquentielle
Temps t
Fréquence f
Amplitude A
F5CNQ
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 a montré qu’il peut s’écrire comme la somme de fonctions
sinusoïdales de pulsations n.w (w = 2/T), fondamental et harmoniques :
1 1 2 2( ) cos( ) cos(2 ) ... cos( ) ...o n ns t A A t A wt A n tw j j w j
Valeur moyenne
Amplitude du fondamental
Amplitude de l’harmonique 2
Amplitude de l’harmonique n
J.Fourier (1768-1830) F5CNQ
QUELQUES EXEMPLES DE SPECTRES
4 cos( ) cos(3 ) cos( )( ) ... ...
1 3
E t t n ts t
n
w w w
( ) cos( )s t E tw
2 2 2
8 cos( ) cos(3 ) cos( )( ) ... ...
1 3
E t t n ts t
n
w w w
Oscillogramme Spectre
t T
E
T
E
E
T
t
t
F5CNQ
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)
F5CNQ
Principe de l’analyseur de spectre à balayage
F5CNQ
Choix des fréquences
• Bande de fréquence analysée : 0 – 80 kHz
• Filtre passe bande : fréquence centrale fFI = 40 kHz
• Oscillateur local : fOL = 40 kHz – 120 kHz
• Equation traduisant le changement de fréquences :
FI OLf f f
• Pour fFI et fOl fixées cette équation a deux solutions :
1 2etOL FI OL FIf f f f f f
• 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 …
F5CNQ
Nécessité du filtre passe-bas
• 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 :
55 – 15 = 40 et 95 – 55 = 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
signalf
80 kHz 0
40 kHzFIf OLf40 kHz 120 kHz 55 kHz
15 kHz
80 kHz 160 kHz
imagef
95 kHz F5CNQ
Filtre passe bas
F5CNQ
Filtre passe bas Ordre 6 et fréquence de coupure : 80 kHz
F5CNQ
Rampe et Oscillateur local
0 80
F5CNQ
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.
F5CNQ
Générateur de rampe - Oscillateur local
Sortie OL
Sortie Rampe
VCO
Générateur de rampe
x(t)
F5CNQ
Multiplieur (mélangeur)
F5CNQ
Principe du mélangeur
( ) cos( )x t A tw
( ) cos( )oy t B tw f
F5CNQ
Multiplieur
y(t) = e(t).x(t) (grandeurs en volts !)
F5CNQ
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.
F5CNQ
Filtre passe bande
F5CNQ
Filtre passe bande
P permet de faire varier la bande passante du filtre
F5CNQ
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.
F5CNQ
Détection
F5CNQ
Détecteur de crêtes sans seuil
F5CNQ
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
F5CNQ
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
F5CNQ
Fréquence centrale : 1 MHz Modulation d’amplitude :1 kHz
F5CNQ
Niveau de référence : -30 dBm Atténuation : 10 dB
F5CNQ
Résolution RBW : 100Hz Filtre vidéo VBW : 100Hz
Durée de balayage SWP : 1.0 s
F5CNQ
Influence de la RBW
F5CNQ
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.
F5CNQ
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 :
2
4
f B
T
D
(le 4 est un facteur de « sécurité »)
F5CNQ
Un compromis à respecter !
Alerte !
Df B
T
F5CNQ
Mesures absolues et relatives
Mesures absolues : N(dBv) = 20.log (V/Vref) N(dBm)=10.log(P/Pref) où P = V2/R avec Pref = 1mW et R = 50 ohms
Mesures relatives : N(dB)=20.log(V1 /V2)=10.log(P1/P2)
F5CNQ
• 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.
Influence du filtre vidéo
F5CNQ
Applications à la B.F. Test d’un ampli Hi-Fi
2 2 2
2 3 4 ...0,016%d
H H Ht
F
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 …
Amplitude des principales raies
F : 9,2 dB 2,9 V
H1 : -76 dB 1,6.10-4 V
H2 : -73 dB 2,1.10-4 V H3 : -75 dB 1,8.10-4 ….
Taux de distorsion harmonique
F
H2 H4 H3 H5 …
F5CNQ
II. Mesure de la distorsion d’intermodulation - on applique à l’entrée la somme de deux signaux sinusoïdaux de fréquences f1 = 7 kHz (A1 = 0,25 V) et f2 = 60 Hz (A2 = 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 : mf1 +/- nf2
f1
f1-f2 f1+f2
Taux de distorsion d’intermodulation
0,03 %dit
Applications à la B.F. Test d’un ampli Hi-Fi
F5CNQ
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,F5CNQ,vous remercient de votre attention.
F5CNQ