16-Récepteur radio: Obtenir les performances

Structure d’un récepteur classique superhétérodyne FIG160

Le signal à recevoir de fréquence FR est transformé en un signal de fréquence plus basse de fréquence Fi , par mélange avec un oscillateur local de fréquence FOL . On a deux possibilités :

Mélange infradyne   : l'oscillateur local est plus bas que FR        Fi = FR   - FOL     

Mélange supradyne : l'oscillateur local est plus haut que FR        Fi =   FOL - FR

 Le signal Fi, de fréquence fixe, est alors amplifié et filtré , avant d'être démodulé.    

FIG160

Etage d'entrée - Sensibilité

La sensibilité mesure la faculté du récepteur à recevoir des signaux de niveaux faibles, sur les canaux qu’il est censé recevoir ( canaux « utiles »)

Mesure : On injecte sur l’ entrée le signal qu’il est censé recevoir .

On baisse progressivement le niveau d’entrée de façon à obtenir un rapport signal sur bruit donné ( récepteur analogique) ou un taux d’erreurs donné ( récepteur de signaux numériques) 

Obtention des performances :

Le premier étage d'un récepteur sera un amplificateur à faible bruit ( LNA) , cet amplificateur sera précédé d'un filtre qui possède deux fonctions essentielles :

- Adapter l'impédance d'entrée du transistor amplificateur à l'impédance de l'entrée antenne ( généralement 50 ohms)

- Filtrer uniquement la bande de fréquence susceptible d'être utilisée, et rejeter au maximum les autres fréquences, notamment la fréquence "image"

Ce filtre sera généralement composé de circuits LC.

La sensibilité dépend essentiellement des premiers étages :

  • -. L’amplificateur d’entrée ( LNA) doit avoir un faible facteur de bruit.
  • - le filtre qui le précède doit avoir une faible perte d’insertion.
  • - le gain du LNA doit être suffisant pour masquer le bruit du mélangeur et des étages en aval .
  • -La tête HF et l’entrée Fi doivent être blindées afin que des émissions extérieures n’entrent pas dans la chaine de réception. 
  • Un deuxième filtre sera placé derrière le LNA. Ce dernier peut admettre plus de pertes, puisqu' il "perd" aussi sur le bruit de l'amplificateur. Il pourra donc être plus sélectif, afin de réduire les réponses parasites ( voir plus loin) 
  • L'amplificateur Fi doit être à faible bruit, afin de pouvoir réduire autant que possible le gai en amont. 

Bien sur, la sensibilité dépend de la bande passante Fi, mais de celà, on n'en est pas maître, la bande passante Fi dépendra des signaux que le récepteur doit recevoir. 

Sensibilité maximale. 

Cette sensibilité dépend des démodulateurs, des décodeurs et même des systèmes de correction d'erreurs pour le cas numérique. 

Pour s'affranchir de tous ces paramètres, la conception de la partie RF devra maximiser le rapport S/B avant démodulation, c'est à dire en sortie du signal Fi. 

Pour les systèmes VHF , UHF ou hyperfréquence, le bruit est essentiellement le bruit dit thermique , qui va dépendre de la température de la source et du facteur de bruit du récepteur. 

On peut calculer la limite théorique de ce bruit.    Le bruit généré par une  source de résistance  50 ohms, à la température de 300 °K, est de  -174dBm/Hz . Tout récepteur rajoutera plus ou moins de bruit à cette source......

Exemple : Pour un récepteur à la  bande  passante Fi  plate de  100 KHz,  le   générateur de mesure  à la température de 300 °K, connecté sur l'entrée du récepteur,   génèrera un bruit  de -174 dBm + 50 dBm = -124 dBm.  Si le générateur sort  aussi un signal utile de  -100dBm, le rapport S/B maximum qu'on peut espérer d'un récepteur parfait sera de 24 dB.  Si la  mesure réelle en sortie Fi donne 21 dB, on en déduira que le facteur de bruit du récepteur est de 3 dB.

On voit l'intérêt de réduire drastiquement le facteur de bruit des récepteurs de communications spatiales, car le bruit de la source est celui de la région du ciel vu par l'antenne.... 

Réponses parasites

Le récepteur est susceptible de recevoir des signaux qu’il n’est pas censé recevoir, c'est-à-dire sur des fréquences Fp ( réponses parasites) autres que les canaux « utiles ».

Mesure : On reçoit un signal utile Fr de niveau faible donné ; Puis on superpose à ce signal un signal Fp de très fort t niveau, et on balaie ainsi toutes les fréquences avec Fp. Sur certaines fréquences Fp du brouilleur, la réception du signal utile sera dégradée.

Obtention des performances :

  • -La réponse parasite la plus connue est la fréquence image, combinaison non désirée du signal d’entrée Fp avec l’oscillateur local Fo . On s’assurera que le filtre d’entrée atténue suffisamment cette fréquence image. Certains mélangeurs utilisant deux multiplicateurs (mélangeurs iQ)  permettent de réjecter la fréquence image non désirée d’une trentaine de  dB supplémentaires..
  • - Il peut y avoir aussi des combinaisons N Fp + M Fo si l’amplificateur de l’oscillateur local injecte des harmoniques sur le mélangeur. Il faut donc un filtre de l’OL avant le mélangeur. 
  • -L’oscillateur local peut avoir des raies non désirées. Il est important de « sanctuariser » le VCO par un blindage efficace de façon que des rayonnements issus d’une autre fonction de la carte n’arrivent sur le VCO ( circuits numériques, ou signal Fi fort niveau). D’une façon générale tout signal parasite présent sur la sortie de l’OL peut donner des réponses parasites, si cette réponse parasite est dans la bande passante du LNA. 


Le schéma ci-dessous montre comment on peut estimer la réjection de la fréquence image, connaissant la courbe de réponse  du LNA avec ses filtres , c'est à dire des filtres avant le mélangeur. On a choisi un oscillateur local "infradyne" , c'est à dire en dessous de la fréquence de réception désirée. Un signal sur la fréquence image produira également la fréquence Fi par mélange avec l'oscillateur local. On voit que plus la Fi aura une fréquence élevée, plus la fréquence image sera éloignée de la fréquence à recevoir, et donc plus il sera facile de l'éliminer par le filtre du LNA.

freq imagere

Un autre exemple de réponse parasite, plus complexe  : soit un récepteur recevant Fr = 32 MHz, avec une fi de 10,7 MHz, et un oscillateur local de 21,3 MHz. On a bien la fi = 32 - 21,3 = 10,7 MHz.... Oui, mais attention, il y aura toujours un peu d'harmonique 2 de l'OL dans le mélangeur, ici de fréquence 42,6 MHz.

Un signal de fréquence 31,9 MHz donnera aussi une fi de 10,7 MHz:

31,9 MHz - 42,6 Mhz = 10,7 MHz.

Le récepteur présentera donc une réponse parasite à 31,9 MHz, difficilement séparable de la fréquence utile 32 MHz par la tête RF.

La solution, ici, ce sera par exemple un OL supradyne sur 32 + 10,7 = 42,7 MHz.

Réjection image supplémentaire par mélangeur iq 

Un mélangeur classique ne peut faire la différence entre la fréquence à recevoir et la fréquence image qui elle, n'est pas désirée. 

Un mélangeur iQ  ( voir les cours) permet de favoriser le mélange infradyne du mélange supradyne, ou inversement. Il est nécessaire pour cela de disposer de deux signaux issus de l'OL, déphasés entre eux de 90 °. Il faudra également  disposer de deux signaux issus de l'ampli RF, déphasés de 90 °.

Amplificateur Fi et sélectivité :

La réception du signal utile FR peut être perturbée par un fort signal sur les canaux très proches ( canaux adjacents)...C'est l'amplificateur fi qui va garantir la sélectivité désirée, ainsi que le gain nécessaire souvent très important nécessaire au récepteur.. 

Mesure de la sélectivité : On reçoit un signal utile Fr de niveau faible donné ; Puis on superpose à ce signal un signal sur le canal adjacent, modulé par une modulation de même type que le signal utile. A partir d’un certain niveau du brouilleur, la réception sera perturbée.

.

Obtention des performances

Le filtrage  Fi doit réjecter le mieux possible les signaux sur les voies adjacentes. Si on recherche une grande sélectivité, il faudra aussi s’assurer que le bruit de phase de l’OL est suffisamment bas.

La position des filtres est importante:  

Un premier filtre Fi doit être placé immédiatement après le mélangeur, de façon à limiter les phénomènes d'intermodulation . ( voir plus bas intermodulation) .  En effet, seule la bande étroite de la Fi permet de supprimer les perturbateurs proches du canal, susceptibles de produire un produit d'intermodulation dans le canal.  

Un problème souvent rencontré, c’est le couplage entre l’entrée et la sortie du filtre. Un filtre Fi est censé réjecter fortement les signaux loin de la bande du filtre, de 80 à 130 dB selon le type de récepteur. Certains filtres (à quartz par exemple), nécessitent des inductances en entrée et sortie, pour être adaptés. Le moindre couplage de ces inductances va dégrader la « réjection hors bande » du filtre. 

Une solution recommandée  pour obtenir des réjections hors bande élevées, c’est de scinder en deux le filtrage Fi : 

 Un second filtrage Fi   placé à plusieurs étages derrière le filtre Fi de tête. Il  permettra aussi de  supprimer au niveau du démodulateur le bruit large bande généré par l’ampli FI , car beaucoup de démodulateurs seront gênés par ce bruit situé hors du spectre utile du signal à démoduler.

Ce second filtrage pourra se faire éventuellement sur une seconde Fi, dans un récepteur à double conversion. 
 

Immunité aux blocages.

Lorsqu’un signal brouilleur est présent à très fort niveau sur l’entrée du récepteur, ce signal peut saturer les étages d’entrée et dégrader l’amplification. Contrairement à une « réponse parasite » , le blocage n’est pas localisé sur une fréquence précise . Un signal de blocage est généralement situé dans la bande passante de l’étage d’entrée, et va saturer le LNA ou le mélangeur. L’immunité au blocage dépend donc de la dynamique de ces étages.

Si la dynamique des étages d’entrée est correcte, le blocage peut également être provoqué par le bruit plancher de l’oscillateur local. Ce bruit large bande autour de l’oscillateur local est donné par le facteur de bruit de l’amplificateur qui suit le VCO ( amplificateur tampon) . Il ne faut donc pas que le signal issu du VCO soit trop bas à l’entrée de l’amplificateur du VCO …

Intermodulation du troisième ordre

Si deux forts signaux , hors du canal, de fréquences F1 et F2 sont présents à l’entrée du LNA, ces signaux vont générer des produits d'intermodulation  de part et d'autres , de fréquences 2F1 – F2 et  2 F2 – F1 , par la non linéarité du LNA ou des étages suivants.  Si ces produits d'intermodulation ( IMD) tombent dans le canal de réception, il y aura brouillage de celui-ci.

Mesure : on applique simultanément les signaux F1 (premier  brouilleur  )  et F2 ( deuxième brouilleur )  par exemple à une distance de 3 canaux et de 6 canaux de la fréquence de réception, ce qui donnera un signal d’intermodulation sur le canal de réception. On augmente de concert leur niveau pour faire apparaître le signal d’intermodulation.  (voir figure ci-dessous) 

On peut a cet effet procéder comme pour les autres réponses parasites, par brouillage d’un signal utile ( il faut dans ce cas 3 générateurs…) Afin que les générateurs eux-mêmes ne se perturbent pas mutuellement, on fera la somme des signaux grace à des coupleurs hybrides, qui évitent que le signal d’un générateur ne remonte vers un autre.

IMD

Obtention des performances

La non linéarité de tous les étages situés AVANT le premier filtre Fi est en cause. Très souvent, du fait de l’amplification par le LNA, c’est le mélangeur qui est le siège de l’intermodulation, ou évidemment, s’il existe, un amplificateur situé en aval, mais AVANT le filtrage Fi. ( derrière le premier filtrage Fi, les signaux éloignés du canal sont très atténués.)

Il faudra donc avoir une bonne dynamique du LNA et du mélangeur. Par ailleurs, réduire au maximum le gain avant le mélangeur. Cette contrainte est à comparer avec la contrainte pour obtenir la meilleure sensibilité , qui impose suffisamment de gain avant le mélangeur, donc lui est contradictoire.

L’obtention d’une bonne sensibilité et d’une bonne performance en intermodulation résulte donc d’un compromis.

Il faudra réduire au maximum le facteur de bruit du mélangeur, et aussi de l’étage qui le suit , de façon aà réduire autant que possible le gain en amont. 

En général, on aura intérêt à disposer un  filtre FI juste derrière le mélangeur. Mais certains mélangeurs , notamment les mélangeurs équilibrés à diode shotky , exigent d’être chargés par une impédance de  50 ohms…Sur toutes les fréquences. Or, le filtre FI ne présente pas en général l’impédance correcte. On intercalera alors entre le mélangeur et le filtre FI un étage à haute dynamique dont l’entrée présente l’impédance correcte au mélangeur et dont la sortie présente l’impédance correcte au filtre Fi. Par exemple, un FET en gate à la masse avec un courant suffisant ( pour la dynamique) et polarisé de façon à avoir une entrée sur la source à 50 ohms.... 

Les performances en intermodulation d’un amplificateur sont caractérisées par le « point d’interception du 3ième ordre » , noté IP3. Si deux signaux F1 et F2 de même niveau P sont appliqués à l’ entrée d’un amplificateur, ils génèrent , ramené sur cette entrée un niveau d’intermodulation IMD = 3 P – 2 IP3

Par exemple, soit un étage ampli caractérisé par un IP3 en entrée de +5 dBm, et qui reçoit deux signaux brouilleurs de -30 dBm. Quel est le niveau du signal d’intermodulation ramené sur son entrée ? IMD = 3 . ( -30) -2. 5 = -100 dBm. Tout se passe comme si l’ampli recevait sur son entrée un perturbateur de niveau -100 dBm sur le canal de réception.

A noter :

  • -les niveaux P, IP3 et IMD sont exprimés en dBm
  • -IP3 est le point d’interception « en entrée » donc « IP3 in » . Si le constructeur de l’amplificateur donne le niveau « IP3 out », il faut retrancher le gain de l’ampli pour obtenir « IP23 in. »

On pourra également définir le point IP3 du récepteur complet, qui relie directement aux performances d’intermodulation de ce récepteur. 

Distorsion et Taux d’erreur à fort niveau

On ne s’intéresse ici qu’à la partie RF du récepteur, et non au traitement des signaux après démodulation. Il s’agit donc essentiellement de la distorsion due au filtrage FI.

Pour les récepteurs analogique, le filtrage FI provoque de la distorsion si le spectre utile du signal n’est pas inclus dans le filtre, soit parce que le filtre est trop étroit, soit parce que le signal n’est pas bien centré dans le filtre : mauvais calage du signal d’entrée Fr, ou mauvais calage de l’oscillateur local.

Le signal à fort niveau peut également être distordu si un étage d’entrée ou de sortie du filtre Fi est saturé. Dans ce cas, cet étage ne présente pas au filtre Fi une impédance convenable et la courbe de réponse du filtre est déformée.

Pour les récepteurs numériques: En plus de tous les cas cités ci-dessus, un autre problème se rajoute : En effet, pour ne pas dégrader le signal numérique, le filtre Fi  doit être à phase linéaire , ou dit autrement, à temps de propagation de groupe constant dans sa bande passante.

La solution la plus ancienne, et la plus basique était le filtre LC ou à quartz du type de Bessel . Ces filtres sont dits à phase minimale ( Bessel, gaussien…) Mais pour ces filtres, on se heurte souvent au manque de sélectivité . Pour s’en convaincre, il suffit de comparer le facteur de forme des courbes de réponse des filtres de Bessel et de Butterworth, par exemple.

Pour des performance meilleures, on fera maintenant appel aux filtres à onde de surface ou aux filtres numériques, qui permettent de concilier bien plus facilement sélectivité et linéarité de phase. 

Controle de gain ( CAG) 

Pour la  FM ou les autres modulations à amplitude constante,  il est possible "d'écrêter" ou "limiter" le niveau le signal avant modulation.

Mais beaucoup de  démodulateurs exigent une liénéarité de l'amplificateur qui les précède.  Comme le niveau reçu par un récepteur peut varier dans de très grandes proportions, il est nécessaire souvent de contrôler le gain de façon que le démodulateur reçoive un signal bien calibré. 

Il faudra alors générer une tension fonction du niveau reçu avant  le démodulateur , et commander le gain des amplificateurs ( RF ou/et Fi) .  

Les constantes de temps de cette  CAG doivent être compatibles avec  les temps de montée et de descente du signal à recevoir.  Ce point est particulièrement important pour les transmissions numériques en TDMA. 

Par exemple, pour un signal numérique, il faudra que le décodage du signal numérique, et en particulier les premiers bits utiles,  puisse se faire après un temps donné . L'action de la CAG devra donc être suffisamment rapide pour que le signal  arrivant sur le démodulateur soit exploitable.

Cas des récepteurs SDR 

Dans un récepteur "SDR", la fréquence intermédiaire va être numérisée par un convertisseur analogue digital, pour être traitée numériquement en aval.  

Prenons en exemple un clé SDR classique : Un synthétiseur va générer une fréquence de base 1770- 3540 MHz qui sera divisée par une puissance de 2,  différente selon la bande à recevoir.  Cette oscillation  locale  Fo  est appliqué à un mélangeur iQ. 

Le signal à recevoir de fréquence Fr passe par un amplificateur RF faible bruit ( LNA) , et est appliqué au mélangeur iQ .

Ce  mélangeur iQ  sort la fréquence intermédiaire   Fo- FR = 3,57 MHz. 

La fréquence intermédiaire est filtrée et amplifiée avant d'être appliquée au convertisseur analogue digital.

synop SDR

exemples : 

réception de Fr = 432MHz: Le synthétiseur sort  Fo = 3484,56 MHz : 8  =  435,57 MHz.

réception de Fr = 30 MHz: Le synthétiseur donne 2148,48 divisé par 64 = 33,57 MHz.

réception de Fr = 1296 MHz : Le synthétiseur sort 2599,14 : 2 = 1299,57 MHz

La dynamique du récepteur va dépendre essentiellement du convertisseur analogue digital, donc du nombre de bits de cet ADC.  

Les récepteurs SDR sont conçus de façon que les signaux forts ne sortent pas de cette dynamique, cela par un contrôle automatique de gain ( en RF et en fi ). Les signaux trop forts arrivant sur le convertisseur AD vont alors provoquer une perte de sensibilité sur les signaux très faibles reçus. Par contre, si on ne réduit pas suffisamment le gain en présence de signaux forts, ce seront des signaux parasites qui seront créés . 

Pour cette raison, la dynamique de ces systèmes est parfois nommée "SFDR" ( spurious free dynamic range) C'est l'écart entre le niveau le plus fort ne donnant pas de réponses parasites détectables, et les signaux les plus faibles que l'on peut recevoir en présence d'un fort signal dans la bande .


A noter sur les mélangeur des récepteurs SDR:

Une fréquence intermédiaire ne peut être de valeur trop élevée pour être traitée  numériquement. Par exemple, la Fi de certaines  clés SDR est de l'ordre de 3,5 MHz. Avec une fi aussi basse,  il faudrait s'attendre à avoir le phénomène de fréquence image. Ici, la fréquence image ne sera pas toujours filtrée par des filtres fréquentiels, elle sera supprimée dès le mélangeur, grâce  à un mélangeur iQ .  Avec un mélangeur bien équilibré, on peut obtenir des réjections image supérieures à 40 dB...  Cet équilibre nécessite  un déphasage de 90 degrés  très précis entre les deux signaux i et Q,  obtenu notamment en divisant par 2 l'oscillateur local de départ. 


Rayonnement du récepteur. 

Les récepteurs de radiocommunications sont très souvent intégrés sur des sites comportant d'autres récepteurs.  Il faudra donc éviter que le récepteur ne rayonne lui-même des signaux perturbateurs. En particulier, le récepteur étant connecté sur une antenne, il faut s'assurer que l'oscillateur local du récepteur ne "remonte" pas à travers le LNA et ses filtres, et sortent sur l'antenne.