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STATION METEOROLOGIQUE

TETE H.F. RECEPTEUR RADIO

1. SCHEMAS 1.1. Schma fonctionnel de 1er degr du RECEPTEUR H.F. Lantenne de rception installe sur le toit, qui capte le signal, est relie proximit immdiate un pramplificateur UHF dont la sortie transmet, par un cble, le signal reu la carte de rception H.F. (schma structurel fourni en annexe) distante de plusieurs dizaine de mtres.

1.2. Schma fonctionnel de 2me degr de lOSCILLATEUR LOCAL La PLL associ aux autres composants ralise un synthtiseur de frquence produisant, partir dun oscillateur quartz de rfrence, un signal dont la frquence peut varier par pas et dont la stabilit est la mme que celle de loscillateur pilote. La valeur de N charg dans la PLL, fixe la frquence FIN, donc la frquence du VCO et finalement la valeur de la frquence reue sur lantenne qui sera dmodule.

Le rseau national dobservation mtorologique est constitu denombreuses stations rparties sur tout le territoire. Une station ausol reoit notamment les informations issues dun ballon sondedaltitude via une liaison HF. La radiosonde transmet squentiellement les paramtres(pressions, temprature et humidit de lair) mesurs lors delascension de lappareil entran par un ballon gonfl lhydrogne. Les donnes sont reues jusqu lclatement duballon vers 20 000 mtres daltitude.

C

OUT

N

OSCI

VCO (Z04)

Commande VCO (Z05)

PLL (Z09)

Diviseur de frquence (Z06, Z07)

V3 334MHz

V3334MHz

Horloge (Y01, Z08)

Choix de la frquence (Z10, Z11)

FIN

SR-SV

CDE

SC

Ce document prend support sur un extrait de sujet de concours, merci aux auteurs pour le travail fait.

Ltude porte sur la description structurelle dune tte H.F. de rcepteur radio et sur les solutions pourslectionner et transmettre depuis lantenne le signal de frquence dsire.

Le schma structurel de cette partie est fourni ci-dessous

V7Prampli.

UHF Amplification

+ Filtre slectif

Dmodulation Mise en forme+

Ampli BF

Oscillateurlocal

404MHz

334MHz

Antenne

Mlangeur V1 V2

V3

V4 V5 V6

Choix de FVCO par C

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1.3. SCHEMA STRUCTUREL DE LA TETE HF

404MHz

334MHz

334MHz

Y01 /. 10MHz240L05 /. 80922

C13 /. 6P8F 100V

Z01 /. LB1

Z06 /. 12074

Z02 /. MAV11 Z03 /. MAV11

Z08 /. MC74HC4060

Z09 /. MC145163

Z07 /. MC74HC74

C10 /. 22NF 100V

L01 /. 22UH

R01 /. 120U 1/2W

Z04 /. VCO334

+12V +12V

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MC145163

RA1 RA0 0 0 0 1 1 0 1 1 COUNTER R value 512 1024 2048 4096

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2. LIAISON ANTENNE-RECEPTEUR Le pramplificateur UHF install cot de lantenne est reli au rcepteur distant dune dizaine de mtres (dans les bureaux) par un cble coaxial 50 unique, dont une reprsentation est donne ci-dessous.

2.1. Quel est lintrt de mettre un pramplificateur sur le toit, proche de lantenne, plutt que de le mettre ct du rcepteur.

Le signal H.F. reu sur lantenne est trs petit (dizaines de V). Or ce signal va subir une attnuation due au cblage, de plus du bruit externe va se superposer au signal H.F., cest dautant plus gnant que le cble est long et le signal utile petit. Le pramplificateur doit donc tre plac le plus prt de lantenne et doit allier un fort gain et un faible facteur de bruit, le signal arrivant au rcepteur sera de meilleure qualit : taux de distorsion plus faible.

Le cble coaxial doit transmettre dans un sens le signal capt par lantenne (404MHz) au rcepteur et dans lautre sens le courant dalimentation au pramplificateur (12V 100mA). Ce cble compte 2 conducteurs en cuivre :

lme du cble transportant le signal H.F., plus la tension continue +12V. la tresse utilise pour la masse commune (blindage).

2.2. Complter le schma dans le cadre en pointills ci-dessous, en reprsentant les composants ajouter

pour que le +12V et le signal H.F. ne se mlangent pas lintrieur du pramplificateur ou du rcepteur.

2.3. Proposer une valeur pour les inductances et pour les condensateurs, prciser la technologie utilise pour les condensateurs. Il faut tenir compte de la frquence de travail ( 404MHz) : L = 22H inductance moules (100mA)

C = 10nF cramique

A la frquence de travail, on a : ZL= Lo = 56k et ZC = 1/(Co) = 40m

Avec ces valeurs, le signal VS nest pratiquement pas inject sur la partie alimentation : Pont diviseur VA = VS x (ZC/( ZC + ZL + ZC)) = VS x 71 10-6 0

L

C

C

VS

VA

C

C

L

Pramplificateur402MHz 406MHz

ante

nne

Rcepteur

+12V

Re=50Entre UHF Sortie UHF

Entre alimentation

Partie sur le toit Partie lintrieur Cble coaxial

Alimentation

V2 V2 V1

L

C

C

VS

VA

Pramplificateur402MHz 406MHz

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3. RECEPTEUR : Tte H. F. La tte H.F. assure un changement de frquence (grce au mlangeur Z01) et une amplification slective du signal reu. 3.1. MELANGEUR Quelles sont les frquences prsentes la sortie du mlangeur ? Aux entres du mlangeur on a le signal venant de lantenne F1 =404MHz et le signal venant de loscillateur local F2 = 334MHz. Le mlangeur ralise une opration du type :

sinF1 x sinF2 = [cos(F1 F2) - cos(F1 + F2)] En sortie du mlangeur, il y a donc 2 frquences : (F1 F2) = 70MHz

(F1 + F2) = 738MHz

Dans le cadre dun rcepteur quelle est la frquence intressante ? On cherche transposer la frquence reue vers une frquence plus basse : (F1 F2) = Fi = 70MHz. Cest la frquence centrale du filtre slectif qui suit. 3.2. AMPLIFICATION Expliquer le rle des composants, L01=22H , C10=22nF et R01=120 associs lamplificateur monolithique H.F. Z02 (MAV11).

Le circuit MAV11 est un ampli HF, ayant une broche commune au signal de sortie et sa propre alimentation.

Les composants L01, C10 et R01 ralisent un filtre passe-bas laissant passer lalimentation continue +12V vers le circuit MAV11 et bloquant le signal HF pour lisoler du +12V.

3.3. FILTRE SELECTIF Le premier filtre slectif permet la transmission de la frquence intermdiaire vers les tages suivants. 3.3.1. a) Quelle est la valeur nominale de linductance L05 associe au condensateur C13 (6,8pF).

C13 et L05 ralisent un filtre slectif pour ne laisser passer que la frquence intermdiaire de 70MHz.

L05 x C13 02 = 1 L05 = 1 /[(2 Fi)2 C13] = 760nH

b) Dterminer la valeur de la rsistance srie de la bobine sachant que son coefficient de qualit Q est de 100.

Pour une inductance, Q est le rapport entre la partie imaginaire et la rsistance srie. Q= L0/rS = (L05 2 Fi ) / rS rS = (760n 2 70M) / 100 = 3,3

+12V

R01 C10

C13

L01

Z02 - MAV11

+12V +12V

R01 C10

L01

Z02 - MAV11 Z03 - MAV11 C13

L05

R02 C15

L03

C14

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3.3.2. Reprsenter le schma quivalent du circuit en tenant compte des impdances dentre et de sortie des amplificateurs MAV11. Calculer le coefficient de qualit de ce filtre slectif.

Qsrie = 1 / (Rsrie C 0) = (L 0) / Rsrie (avec ici Rsrie = Zs + rS + Ze) QFiltre = (L05 0) / (ZS + rS + Ze) = (760n 2 70M) / (50 + 3,3 + 50) = 3,2

3.3.3. Aprs avoir calcul la bande passante de ce filtre en dduire la valeur des 2 frquences de coupures.

BP = F0 / Q = 70M / 3,2 = 21,8MHz 22MHz

FC1 = F0 BP = 70M 11M 59MHz

FC2 = F0 + BP = 70M + 11M 81MHz

3.4. PROGRAMMATION DE LA PLL MC145163 (DC75) Le circuit MC145163 contient tous les lments ncessaires la ralisation dun synthtiseur de frquence, hormis le VCO et le filtre passe-bas. Il permet de gnrer une tension de commande pour le VCO Z04 (oscillateur command en tension) qui fournit le signal local au mlangeur quilibr Z01. On suppose que le signal reu sur lantenne a une frquence de 404MHz et que le VCO (Z04) dlivre 2 signaux la frquence de 334MHz (sorties : n8 OUT et n16 SC). 3.4.1. Quelle est la frquence du signal fourni par la broche n14 de Z08 (74HC4060), qui correspond la

une division par 28, et arrivant sur la broche n27 (Oscin) du circuit Z09 (MC145163), on prcise que la frquence du quartz Y01 est de 10,240MHz. FQ8 = Fck / 28 = 10240k/256 = 40kHz FOSCin = 40kHz

3.4.2. Sachant que Z07 (MC74HC74) est constitu de 2 bascules D, redessiner le schma en mettant en

vidence les branchements des 2 bascules D, prciser la fonction ralise. Sortie /Q relie lente D : chaque bascule D ralise un diviseur par 2. Lensemble des 2 bascules D forme un diviseur de frquences par 4.

3.4.3. a) Le circuit Z06, diviseur de frquence, est en technologie ECL, pourquoi ce choix ?

La technologie ECL (Emitter Coupled Logic) est adapte pour des applications requrant une grande rapidit (propagations 2ns). La frquence en entre de Z06 est de 334MHz, trop leve pour les technologies TTL ou CMOS (limites quelques dizaines de MHz). La technologie ECL permet de travailler des frquences bien plus leves (quelques centaines de MHz), par contre sa consommation en puissance est aussi bien plus leve.

12

11

9

8

2D

2CLK

2Q

2Q

2

3

5

6

1D

1CLK

1Q

1QF.VCO/256

F.IN

C13 L05

Z02 Z03

Sortie Z02 - MAV11

ZS 50 Ze

50 VS

rS L05 C13

Entre Z03 - MAV11

1 3

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b) Quel est le rle des circuits diviseur Z06 et Z07 ?

La frquence de sortie du VCO est trop leve pour le diviseur programmable du circuit synthtiseur de frquence qui est en technologie CMOS, alors on intercale un prdiviseur, ici par 1024. La contre partie, cest que le pas du synthtiseur est augment par le rapport de prdivision.

c) Calculer la frquence du signal FIN qui arrive sur la broche n1 du circuit Z09, sachant que le circuit

Z06 (MC12074) est un diviseur par 256 et tenant compte du rapport de division ralis par Z07 calcul prcdemment.

FIN = F(VCO) / (256 x 4) = 334M / 1024 = 326,2kHz

FIN 326kHz

3.4.4. a) Quand la PLL est verrouille, quel est le lien entre les 2 signaux fr et fv prsents sur les entres du

comparateur de phase.

Lorsque la boucle verrouillage de phase est accroche, les signaux prsents aux 2 entres du comparateur de phase sont synchrones :

FREF = Fverrouillage fr = fv

b) Calculer la valeur de la frquence du signal interne au MC145163 note fr, tenir compte des broches n5 (RA0) et 6 (RA1) de Z09 (compteur R).

RA0 = 5V et RA1 = 0V division par 1024 (daprs Doc MC145163) fr = FOSCin /1024 = 40k / 1024 = 39,0625 = 39Hz

Cette frquence trs basse entrane pour le filtre de boucle une frquence de coupure basse et donc un rgime transitoire lent, mais dans cette application cela nest pas gnant.

40kHz

326kHz

5V 0V

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c) Etablir la valeur dcimale du nombre programmer dans le compteur N du MC145163 (Z09) pour

assurer un fonctionnement correct du VCO 334MHz (PLL verrouille).

FIN = F(VCO) / (256 x 4) = 334M/1024 = 326,172kHz Fv = fr = FOSCin /1024 = 40k / 1024 = 39,0625Hz 39Hz

N = FIN / fV = (334M/1024) / (40k/1024) = 334M / 40k = 8350

Attention aux arrondis des calculs, sinon : N = FIN / fV = 326k / 39 = 8358

d) Convertir N en un nombre BCD placer sur les broches n9 24 du CI Z09.

N = 8 3 5 0(D) = 1000 0011 0101 0000(BCD)

3.4.5. Quel est le pas du synthtiseur de frquence pour slectionner le signal en entre du rcepteur ?

Le pas est la plus petite variation possible de frquence (entre N et N+1). N = 8350 FIN = 326kHz F(VCO)=334MHz Fantenne = 404MHz

N = 8351 F(VCO) = fv x 8351 x (4 x 256) = 40k x 8351 = 334,04MHz Fantenne=404,04MHz

le pas = FN+1 FN = F = 404,04MHz 404MHz = 40kHz Le pas de rglage (plus petite variation possible) sur le rcepteur est de 40kHz, cest aussi le pas du synthtiseur de frquence.

Le pas du synthtiseur est plus important que fr (fr39Hz : frquence interne la PLL), puisqu'il a t multipli par le rapport de prdivision externe 1024 (Z06 et Z07). On a : Le PAS = fr x 1024 = 39,0625 x 1024 = 40kHz

3.4.6. Quelle serait la valeur N programmer sur la PLL MC145163 pour recevoir non plus un signal de frquence 404MHz, mais de frquence 420MHz ?

rappel Fi = Fantenne - FOSC = 70MHz FOSC = Fantenne - 70MHz = 420MHz 70MHz = 350MHz

FIN = FOSC / 1024 = 350M / 1024 341,8kHz N = FIN / fV = 341,8k / 39,0625 = 8750

ou prcisment N = 350M/40k = 8750 N = 8750

En changeant la valeur numrique de N, on change la valeur de la frquence du VCO et donc la frquence de rception transmise, puisque la diffrence entre ces deux frquences est constante et gale la frquence centrale du filtre slectif : 70MHz.