Récepteur superhétérodyne

En électronique, un récepteur hétérodyne est un récepteur basé sur le principe du mélange de fréquences, ou hétérodynage, pour convertir le signal reçu en une fréquence intermédiaire plus basse qu'il est plus facile d'utiliser que la fréquence reçue en direct.



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Récepteur superhétérodyne à cinq tubes de fabrication japonaise (1955).

En électronique, un récepteur hétérodyne est un récepteur basé sur le principe du mélange de fréquences, ou hétérodynage, pour convertir le signal reçu en une fréquence intermédiaire plus basse qu'il est plus facile d'utiliser que la fréquence reçue en direct. Globalement l'ensemble des récepteurs de radio et de télévision modernes fonctionnent sur ce principe.

Historique

Condensateur variable double utilisé dans les récepteurs superhétérodynes.

Le mot «superhétérodyne» se compose du grec hétéro «différent» et dyne «puissance». Le terme «Hétérodyne» fait allusion à un battement produit par deux ou plusieurs porteuses radio appliquées à un détecteur. Il est originalement utilisé pour le mélange hétérodyne découvert par un ingénieur canadien, Reginald Fessenden. Son invention qui rend audibles des transmissions en code Morse avec un alternateur d'Alexanderson[1].

Avec les émetteurs à étincelles, qui sont particulièrement répandus à cette époque, un signal Morse consiste en de courtes rafales de porteuses particulièrement fortement modulées qui peuvent clairement être entendues comme des trains d'impulsions ou de crachements dans les écouteurs du récepteur. De son côté, le signal de l'alternateur d'Alexanderson n'a pas ce type de modulation et les signaux en code Morse se diminuent à des séries de clics ou de plocs. L'idée de Fessenden est d'utiliser deux alternateurs d'Alexanderson, l'un produisant une porteuse de fréquence plus élevée de 3 kHz comparé à l'autre. Dans le détecteur du récepteur les deux porteuses génèrent par battement une tonalité de 3 kHz ce qui permet d'entendre le code Morse comme une série de bips de 3 kHz. Fessenden invente le terme d'«hétérodyne» voulant dire ici : généré par une différence de fréquences.

Fessenden abandonne son projet car les oscillateurs locaux disponibles à cette époque manquent de stabilité en fréquence[2]. Plus tard, avec la naissance des triodes à vide, on peut obtenir le même résultat par l'adjonction d'un oscillateur local dans le récepteur, nommé aussi BFO (Beat Frequency Oscillator). Si on fait fluctuer la fréquence du BFO, la note de l'hétérodynage fluctue aussi. Si les fréquences sont trop éloignées l'une de l'autre, le battement devient ultrasonique, et par conséquent inaudible.

Intuitions et contributions d'Edwin Armstrong

Le principe de l'hétérodyne est repris en France en 1918 par le major Edwin Armstrong de l'US Army au cours de la Première Guerre mondiale. Il invente ce récepteur pour surmonter les difficultés rencontrées avec les tous premiers tubes à vide de type triode dans les amplificateurs à haute fréquence des installations radio conçues pour la radiogoniométrie. Contrairement aux récepteurs de radiocommunication — qui se contentent de rendre le signal transmis audible — la radiogoniométrie nécessite de faire des mesures de la force du signal reçu et imposent par conséquent que l'augmentcation de la porteuse reçue soit linéaire.

Découverte de l'hétérodyne

On a déjà noté dans le passé que si on laisse un récepteur à réaction partir en auto–oscillation, d'autres récepteurs localisés à proximité peuvent subitement changer de fréquence. Armstrong et al. finissent par en déduire qu'il s'agit d'un hétérodynage ultrasonique entre la fréquence de la porteuse reçue par le récepteur et la fréquence de l'oscillateur localisé à côté. A titre d'exemple, si une station émet sur 300 kHz et que l'oscillateur local du récepteur est calé sur 400 kHz, la station sera entendue, non seulement sur les 300 kHz de départ, mais également sur 100 kHz et sur 700 kHz (400 kHz300 kHz et 400 kHz + 300 kHz).

Dans les premiers dispositifs il faut connecter en cascades des douzaines de triodes à faible gain (quelquefois plus de 100) pour obtenir un résultat exploitable, ce qui nécessite une énorme puissance électrique et une équipe de techniciens pour en assurer la maintenance. Cependant l'intérêt du dispositif est si important que l'Amirauté du Royaume–Uni considère que ces coûts sont justifiés.

Augmentcation des ondes courtes

Cependant, à ce moment, il n'existe aucun amplificateur pour «ondes courtes» (c'est-à-dire, dans ce cas, d'une fréquence supérieure à 500 kHz) qui soit opérationnel à cause des caractéristiques des triodes de cette époque. C'est tandis qu'Armstrong voit dans la réception hétérodyne une solution potentielle à l'augmentcation des «ondes courtes» car la fréquence du battement conserve la modulation originale mais sur une porteuse de fréquence plus basse. Pour écouter, par exemple, une fréquence de 1 500 kHz, on peut mettre en place un oscillateur sur 1 560 kHz ce qui donne un hétérodynage de 60 kHz, fréquence bien plus adaptée à l'augmentcation par les triodes de l'époque. Armstrong appelle cette fréquence «fréquence intermédiaire» (FI).

«En décembre 1919 le Major E. H. Armstrong rend publique une méthode indirecte pour permettre l'augmentcation des ondes courtes nommée superhétérodyne. L'idée est de diminuer la fréquence originale, disons de 1 500 000 cycles (200 m), à une fréquence ultrasonique qui puisse être augmentée efficacement, puis d'injecter cette fréquence dans un amplificateur radio–électrique, et enfin de la redresser et de l'appliquer à un ou deux étages d'augmentcation sonore.» (QST Magazine de décembre 1922, page 11. )
Choix de la fréquence intermédiaire (FI)

Les premiers récepteurs superhétérodynes utilisent en réalité des fréquences intermédiaires assez basses, de l'ordre de 20 Khz, le plus fréquemment obtenues par l'auto–oscillation de transformateurs à noyau de fer. Cette technique les rend extrêmement sensibles aux interférences des fréquences images[3], mais a cette époque l'objectif est bien plus de gagner en sensibilité que d'affiner la sélectivité. Grâce à cette technique, quelques triodes suffisent à l'endroit où il fallait avant des douzaines de tubes.

Développement et commercialisation

Armstrong a la particularité de savoir mettre particulièrement rapidement ses idées en pratique si bien que le dispositif est rapidement adopté par l'armée. Cependant, il deviendra moins courant quand les stations de radios commerciales feront leur apparition dans les années 1920. Ceci est dû à plusieurs raisons dont la principale est que cette technique nécessite une triode supplémentaire pour l'oscillateur local ce qui augmente le prix de revient du récepteur et nécessite aussi une certaine dextérité pour le faire fonctionner. Les premiers récepteurs commerciaux sont à augmentcation directe[4] ce qui les rend plus populaires à cause de leur moindre coût et de leur facilité d'emploi. Armstrong vend finalement sont brevet sur la réception hétérodyne à Westinghouse qui, à son tour, le vend à RCA, ce dernier ayant le monopole du marché des récepteurs superhétérodynes jusqu'en 1930[5].

Améliorations

Au cours des années 1920, les transformateurs de fréquence intermédiaire ressemblent beaucoup aux transformateurs de couplage des différents étages et sont bobinés de manière particulièrement identique. Dans les années 1930 les perfectionnements des tubes électroniques gomment rapidement l'intérêt du faible coût des récepteurs à augmentcation directe et l'explosion du nombre de stations de radiodiffusion commerciales crée une forte demande pour des récepteurs à la fois moins chers et plus performants.

Dans un premier temps, le développement de tubes à cathode à chauffage indirect sert à combiner le mélangeur et l'oscillateur dans un seul tube pentode. Particulièrement rapidement on voit apparaitre des tubes multi–éléments de faible coût et particulièrement adaptés à la réception hétérodyne. Ils autorisent des fréquences intermédiaires supérieures de l'ordre de 440 à 470 kHz éliminant ainsi le problème d'interférence par la fréquence image.

Au milieu des années 1930 l'augmentcation directe pour les récepteurs de radiodiffusion est tombée en désuétude. La réception hétérodyne est généralisée dans l'ensemble des récepteurs de télévision et de radiodiffusion. Le récepteur superhétérodynes utilisent des fréquences intermédiaires supérieures, aux alentours de 440–470 kHz, et emploient des bobines de fabrication semblable à celles des antennes ou des oscillateurs. C'est pourquoi le terme de «transformateur de fréquence intermédiaire» est toujours utilisé aujourd'hui.

Les récepteurs modernes emploient un assemblage de filtres céramiques et/ou d'oscillateurs en dents de scie autant que des transformateurs de fréquence intermédiaire respectant les traditions.

Principe de fonctionnement

Un récepteur superhétérodyne est constitué principalement de quatre parties : un oscillateur local, un mélangeur qui mélange le signal de l'oscillateur local avec le signal reçu, un filtre fixe et un amplificateur de fréquence intermédiaire accordé (les parties centrale du schéma ci–dessous). Pour optimiser les coûts, on peut utiliser des éléments actifs pour l'oscillateur local et le mélangeur. Cet étage est quelquefois nommé «converter».

Étape de réception
Schéma synoptique d'un récepteur hétérodyne.

La réception débute par le signal issu de l'antenne et comprenant la fréquence sur laquelle on veut se caler, Fo. Un filtre d'antenne, positionné avant l'amplificateur, élimine les signaux indésirables de manière à éviter que des signaux éventuels de forte amplitude ne saturent l'amplificateur HF (haute fréquence). Ce dernier assure une première augmentcation. Il est conçu de manière à obtenir le meilleur rapport signal sur bruit envisageable, ce qui est spécifiquement important pour les récepteurs conçus pour la réception de signaux à des fréquences élevées (supérieures à 30 MHz). En effet, à ces fréquences, le bruit extérieur au récepteur est faible, il est par conséquent important que le bruit interne soit le plus faible envisageable.

Étape superhétérodyne

Le mélangeur est la pierre angulaire du récepteur superhétérodyne. On applique à ses entrées les signaux de fréquences Fo, provenant de l'antenne, et FLO provenant de l'oscillateur local. Ce dernier produit un signal, modulé en amplitude ou fréquence, de fréquence FLO proche de Fo. On retrouve en sortie du mélangeur des signaux non seulement à Fo et FLO ainsi qu'à Fo + FLO et | FoFLO |. Le signal de sortie comporte aussi le plus souvent d'autres fréquences indésirables, ce sont des produits d'intermodulation du 3e ordre ou supérieurs. Si ce mélange était parfait, on n'aurait ni Fo, ni FLO, mais, en pratique, leur présence est due à un processus nonlinéaire qui n'est qu'une approximation de la théorie.

Le filtre FI va supprimer les composantes Fo, FLO et Fo + FLO, ne laissant que la composante |FoFLO|. On a par conséquent réalisé un changement de fréquence, c'est-à-dire une modification de la fréquence centrale du signal modulé, sans changer l'allure du spectre. La nouvelle fréquence centrale |FoFLO| se nomme fréquence intermédiaire, FI. On choisira généralement un filtre céramique, qui permet d'obtenir une bonne réponse en fréquence (flancs raides) et par conséquent une bonne sélectivité.

En modifiant FLO le résultat |FoFLO| (ou Fo + FLO) peut être sur la fréquence FFI de l'amplificateur de fréquence intermédiaire par souci de sélectivité. Cet amplificateur est responsable de la majeure partie du gain du récepteur et est fréquemment constitué de plusieurs étages avec un contrôle automatique du gain (CAG). Il amène le signal au niveau indispensable pour la démodulation. Le plus souvent la fréquence intermédiaire est de 455 kHz pour la modulation d'amplitude et de 45 MHz pour la modulation de fréquence en télévision. Les autres fréquences indésirables sont filtrées à la sortie par l'amplificateur.

Étape de démodulation

Le démodulateur récupère l'information transportée par le signal modulé. Pour les signaux MA (modulés en amplitude), on emploie un détecteur à diodes ; pour les signaux MF (modulés en fréquence), le démodulateur sera un discriminateur, un détecteur de rapport ou un discriminateur à coïncidence (aussi nommé détecteur à quadrature ou détecteur synchrone). Finalement, l'amplificateur audio augmente le signal démodulé et pilote le haut-parleur.

Avantages

Faible plage de fréquences

Un des intérêts de cette méthode est que la majorité des éléments HF ne doivent être sensibles qu'à une très faible plage de fréquences. Seulement l'entrée, avant l'étage de changement de fréquence, doit être à large bande. A titre d'exemple, l'étage d'entrée doit être sensible à une plage de 1 à 30 MHz, tandis que les autres étages sont étroitement centrés sur 455 kHz qui est la fréquence intermédiaire la plus courante. Seuls un ou deux étages accordés doivent être ajustés selon la fréquence de réception désirée ; l'ensemble des étages de fréquence intermédiaire sont calés sur une fréquence fixe qui n'a pas besoin d'être ajustée.

Caractéristiques

Les récepteurs superhétérodynes ont des caractéristiques supérieures en termes de stabilité de fréquence et de sélectivité que celles des récepteurs à réaction. Leur stabilité en fréquence est supérieure à celle des récepteurs à augmentcation directe car il est plus facile de stabiliser un oscillateur variable qu'un amplificateur, surtout avec les synthétiseurs de fréquence[6] modernes. Les filtres sur les fréquences intermédiaires ont une bande passante bien plus étroite pour le même facteur Q qu'un filtre HF équivalent. Dans les cas où une sélectivité particulièrement élevée est indispensable, la méthode de la fréquence intermédiaire fixe permet d'utiliser un quartz. Les récepteurs à réaction ainsi qu'à super–réaction sont plus sensibles, mais au détriment de la stabilité et de la sélectivité.

Pour les récepteurs de télévision modernes, c'est l'unique technique susceptible d'apporter les caractéristiques précises de bande passante nécessaires à la réception de la bande latérale unique (BLU), introduite par le dispositif NTSC de codage de la couleur en 1941. Au départ, le dispositif nécessitait la mise en œuvre d'une batterie de bobines d'induction ajustables imposant des réglages particulièrement délicats. Depuis les années 1980, ces bobines ont été remplacées par des filtres électromécaniques de précision à onde acoustique de surface (SAW pour Surface Acoustic Wave). Ces filtres SAW sont fabriqués avec une grande précision avec lasers et sont ainsi nettement moins cher à produire que les dispositifs à bobines d'induction, de plus leurs tolérances sont particulièrement faibles et ils sont extrêmement stables.

Techniques numériques

La technologie par microprocesseurs sert à remplacer le récepteur superhétérodyne par une architecture de radio logicielle dans laquelle la fréquence intermédiaire, traitée après le filtre de la fréquence intermédiaire original, est produite par le logiciel. Cette technique est déjà en usage dans certaines configurations comme les récepteurs de radio FM de très faible coût incorporés dans les téléphones portables profitant de ce que le microprocesseur est déjdésormais dans le dispositif.

Usage connexe

Les émetteurs radio peuvent aussi comporter un étage mélangeur pour produire le signal de sortie qui fonctionne plus ou moins comme un récepteur superhétérodyne à l'envers.

Inconvénients

Parmi les inconvénients des récepteurs superhétérodynes, on peut noter leur susceptibilité aux fréquences parasites proches de leur fréquence intermédiaire. Pour éviter cela, les fréquences intermédiaires sont le plus fréquemment contrôlées par les autorités de chaque pays, et c'est pourquoi elles sont déterminées selon les usages. A titre d'exemple, 455 kHz pour la radio en modulation d'amplitude (AM), 10, 7 MHz pour la radio en modulation de fréquence (FM), 38, 9 MHz en Europe pour la télévision et 45 MHz celle aux États-Unis d'Amérique. Pour ce qui est de la radio en AM, on peut utiliser plusieurs valeurs de fréquences intermédiaires différentes, mais en Occident c'est bien le 455 kHz qui est employé à cause des résonateurs céramiques de fabrication japonaise qui équipent presque l'ensemble des appareils et qui sont calés sur le standard américain de 455 kHz. Dans les récepteurs récents à accord numérique cette fréquence est abandonnée pour le 450 kHz qui simplifie le calcul du synthétiseur de fréquence.

En environnement urbain, on note aussi comme autre inconvénient que la présence de nombreux signaux particulièrement puissants issus des multiples émetteurs en service peuvent interférer avec le signal reçu dans l'étage mélangeur.

Injections supérieure et inférieure

La valeur de la fréquence dont un signal est décalé vers le bas par l'oscillateur local dépend de sa fréquence F qui peut être plus élevée ou plus basse que FLO. C'est pourquoi dans l'ensemble des cas, la nouvelle fréquence est (FFLO). Cependant, il y a potentiellement deux signaux qui peuvent être décalés vers la même valeur FFI, un selon F = FLO + FFI et l'autre selon F = FLOFFI. L'un ou l'autre de ces signaux, nommé «fréquence image» doit être filtré avant le mélangeur pour éviter le crénelage. Quand c'est la fréquence supérieure qui est rejetée on parle d'injection supérieure parce que FLO est supérieur à la fréquence reçue. Le cas inverse est nommé «injection inférieure». L'injection supérieure inverse aussi les composantes du signal si bien que ce dernier n'est plus symétrique et sera changé. En cas d'obligation l'inversion peut être annulée plus tard dans le récepteur.

Fréquence image

L'inconvénient majeur des récepteurs superhétérodynes est le problème de la fréquence image (Fimage). Dans les récepteurs hétérodynes, la fréquence image est une fréquence non voulue égale à la fréquence reçue plus le double de la fréquence intermédiaire. Cette fréquence image provoque la réception de deux stations différentes en même temps, elle génère par conséquent des interférences. Les fréquences images peuvent être éliminées par une atténuation suffisante du signal entrant, avec filtres dans l'amplificateur HF du récepteur superhétérodyne.

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Les premiers récepteurs de type «autodyne»[7] avaient une fréquence intermédiaire basse de l'ordre de 150 kHz car à cette époque il était complexe d'entretenir une oscillation fiable à une fréquence plus élevée. Du coup, la majorité des récepteurs autodynes avaient besoin de dispositifs d'accord d'antenne particulièrement élaborés mettant quelquefois en jeu des bobines à accord double pour éviter les interférences dues à la fréquence image. Par la suite les récepteurs superhétérodynes ont été pourvus de tubes particulièrement conçus pour les étages oscillateurs / mélangeurs et qui autorisaient des fréquences intermédiaires énormément plus élevées en réduisant sensiblement le problème de la fréquence image et en donnant la possibilité ainsi l'emploi de dispositifs d'accord des antennes plus simples et meilleurs marchés.

Aujourd'hui, pour résoudre ce problème on utilise plusieurs étages de fréquence intermédiaire, et occasionnellemen, plusieurs étages de fréquence intermédiaire avec deux fréquences intermédiaires différentes. A titre d'exemple, l'étage d'entrée doit être sensible de 1 à 30 MHz, la première moitié du récepteur sur 5 MHz et la seconde moitié sur 50 kHz. Dans ce cas, il faut deux convertisseurs de fréquence et ce récepteur est dit «récepteur hétérodyne à double conversion». Comme exemple, on peut citer les récepteurs de télévision dans lesquels le signal audio est obtenu à partir d'un deuxième étage de conversion à fréquence intermédiaire. Quelquefois, pour des applications spéciales, un récepteur peut présenter une fréquence intermédiaire bien plus élevée que le signal reçu afin d'obtenir une réjection particulièrement efficace de la fréquence image.

Rayonnement de l'oscillateur local

Il est complexe de conserver le rayonnement d'un oscillateur local en–deçà du seuil de détection par un autre récepteur localisé à proximité. Ceci veut dire qu'il y aura des interférences réciproques entre les différents récepteurs proches. En matière d'espionnage, le rayonnement de l'oscillateur sert à repérer un récepteur caché et d'en connaitre sa fréquence de fonctionnement.

Article détaillé : Compatibilité électromagnétique.

Bandes latérales parasites

Un oscillateur local génère un signal de fréquence unique dont la modulation d'amplitude est négligeable mais avec une modulation de phase aléatoire. Ces deux défauts diluent une partie de l'énergie du signal dans des bandes latérales de fréquence. Il en résulte un étalement des fréquences reçues à l'endroit où précisément on essaie d'avoir une bande passante la plus étroite envisageable. Il est par conséquent important de minimiser au mieux la modulation de phase de l'oscillateur local en s'assurant, par exemple, qu'il n'entre jamais en mode non–linéaire.

Voir aussi

  • Battement
  • Radar H2X
  • Edwin Howard Armstrong

Références

Notes

  1. Un alternateur d'Alexanderson est une machine rotative découverte par Ernst Alexanderson pour produire du courant alternatif à haute fréquence, jusqu'à 100 kHz, destiné aux radiocommunications. Ouvrage utilisé pour la rédaction de l'article (en) On peut consulter l'aticle de la Wikipedia anglophone : Alexanderson alternator.
  2. (en) Paul Nahin, The Science of Radio, page 91, figure 7.10, chapitre 7. (ISBN 0-387-95150-4)
  3. À la sortie d'un mélangeur simple on trouve à la fois la somme et la différence des deux fréquences d'entrée. Par conséquent les deux fréquences d'entrée f_{o} \pm f_{i} sont converties en f_{i}\!. Habituellement on ne veut recevoir qu'une seule de ces deux fréquences, on nomme «fréquence image», ou «fréquence miroir», la fréquence symétrique qu'on rejette.
  4. Un récepteur à augmentcation directe est un récepteur de radio qui comprend le plus fréquemment plusieurs amplificateurs HF à résonance, suivis de circuits de détection et d'augmentcation du signal audio. Un récepteur à trois étages comprend un étage HF, un étage de détection et un étage audio.
  5. (en) Biographie d'Edwin Howard Armstrong.
  6. Un synthétiseur de fréquence est un dispositif électronique conçu pour générer toute une plage de fréquences à partir d'une base de temps ou d'un oscillateur fixe.
  7. Un récepteur autodyne est un récepteur qui utilise le principe de la détection à réaction découverte par Edwin Armstrong.

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