Introduction aux radiocommunications

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Cours
Boman

Par Boman

Mise à jour le 23-01-2013

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Ce cours d'introduction aux radiocommunications couvre avec minutie toutes les notions importantes autour du sujet.

Dans une première partie introductive, nous établirons une présentation assez générale du secteur des radiocommunications. Nous étudierons ensuite la notion de bruit en radiofréquence en abordait le bruit thermique, la puissance et la température du bruit mais aussi la densité spectrale du bruit.

Nous analyserons alors les systèmes RF c'est à dire les récepteurs superheterodynes et homodynes ainsi que les oscillateurs locaux.

Pour finir, nous nous attacherons à l'étude des composants électroniques en RF, qu'ils soient passifs, actifs ou spéciaux.

 

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Plan du document :

 

Chapitre 1 : Présentation générale

     1. Introduction

     2. Notions générales

 

Chapitre 2 : Le bruit en radiofréquence

     1. Introduction

     2. Bruit thermique dans une resistance

     3. Puissance de bruit

     4. Densité spectrale de bruit

     5. Température de bruit d'un quadripôle

     6. Bruit dans un système

     7. Sensibilité d'un système de réception

 

Chapitre 3 : Les systèmes RF

     1. Recepteurs superheterodynes et homodynes

     2. Oscillateurs locaux

 

Chapitre 4 : Composants électroniques en RF

     1. Introduction

     2. Composants passifs

     3. Composants actifs

     4. Composants spéciaux

 

 

Chapitre 1 : Présentation générale

1. Introduction

Un système « radiocommunications » est un dispositif qui utilise comme support de transmission, le milieu atmosphérique. On va distinguer suivant les applications, différents types de structures : 

• émission - réception radio et télévision, 

• transmission par faisceaux hertziens, 

• radar, 

• radiotéléphone, 

• radiolocalisation

 

La puissance du signal reçue est en espace libre donnée par l'expression : 

> Voir formule 

 

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Chapitre 2 : Le bruit en radiofréquence

1. Introduction 

Le problème du bruit se pose dès qu'il s'agit de traiter des signaux de faibles amplitudes. Ces problèmes vont intervenir dans de nombreux systèmes et en particulier dans les ensembles de réception. 

Le bruit est imputable à : 

• la nature discontinue de la matière, 

• l'agitation moléculaire, 

• les imperfections de toute nature (couplages ...)

 

2. Bruit thermique dans une résistance 

Les lois de la thermodynamique montrent qu’à toute résistance R correspond une force électromotrice (fem) de bruit exprimée en volts par la relation de Nyquist :

> Voir formule 

 

3. Puissance de bruit

 

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4. Dénsité spectrale de bruit

 

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5. Température de bruit d'un quadripôle

La température équivalente de bruit Ta d'un dispositif (amplificateur, récepteur ...) est égale à celle d'une résistance qui, placée à l'entrée, reproduirait la même puissance de bruit disponible en sortie de système. Supposons que l'on a : 

> Voir schéma 

 

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6. Bruit dans un système 

 

 

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7. Sensibilité d'un système de réception

On appelle R, le rapport de la puissance utile sur la puissance de bruit à l'entrée du système de réception. La puissance utile s'exprime sous la forme (équation de la propagation) : 

> Voir équation

 

En supposant que le recepteur est adapté et que la résistance d'entrée soit non bruyante (il suffit pour cela que le « point » de la chaîne où est appliqué cette relation ne soit pas près de l'antenne. Il faut en effet que dans la formule de Friis, on puisse considérer que le gain de l'étage où on se place n'intervient quasiment plus dans le calcul de Teq ), la puissance de bruit s'écrit : 

Pb = kTeq.Δf

 

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Chapitre 3 : Les systèmes RF

1. Récepteurs superhétérodynes et homodynes

a. Principe de l'opération

Le circuite de base d'un récepteur superhétérodyne est le suivant : 

> Voir figure 

 

L'inconvénient de cette structure est qu'elle ne permet pas d'avoir accès à l'information « phase » du signal reçu. Pour cela, il est nécessaire d'augmenter la complexité du système. On obtient alors la structure présentée à la figure 18.

L'inconvénient de cette dernière structure est de nécessité un dédoublement du recepteur, d'où une augmentation importante du coût. Une alternative à cela est la transformée de Hilbert. 

 

b. Récepteur superhétérodyne à plusieurs changements de fréquence

Dans un récepteur superhétérodyne, pour isoler l'information qui nous intéresse, plusieurs changements de fréquence sont parfois nécessaires. Leur nombre est fonction de : 

• la fréquence incidente 

• la fréquence de la dernière FI, 

• la qualité des filtres utilisés et des bandes passantes requises. 

 

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2. Oscillateurs locaux

Les oscillateurs peuvent être de différents types, à la fois analogiques et numériques. Il sont souvent réalisés à partir de structures à contre-réaction dans lesquelles la condition de stabilité n’est pas respectée (cf. cours d’électronique de Maîtrise EEA). Ils peuvent être construits autour de résonateurs électromécaniques tels que des quartz thermostatés ou non, pilotés par une horloge atomique, utilisés un dipôle actif tels qu’une diode Tunnel ou une diode Gunn....

 

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Chapitre 4 : Composants électroniques en RF

1. Introduction 

a. Problèmes généraux

 

Cas d'un fil « en l’air »

Typiquement, un fil « en l’air » est équivalent à une antenne. Par exemple, pour une fréquence de 100 MHz, soit une longueur d’onde de 3 m, un fil de quelques centimètres constitue une antenne et peut donc rayonner ou capter de l’énergie.

 

Cas des alimentations

En général, un système de régulation et de filtrage peut être très efficace en basse fréquence mais les éléments qui le constituent peuvent devenir inopérants en RF (problème de fréquence de coupure des éléments). Un signal généré en aval peut ainsi « retraverser » l’alimentation et se propager sur le secteur. Le cas inverse est aussi possible (régulation amont et/ou aval).

 

 

Blindages - Cage de Faraday

Différents types de blindages peuvent être utilisés. On trouve soit des « murets », soit des treillis. On définit l’efficacité d’un blindage par la relation :

> Voir document 

 

b. Les câbles

Le câble est supposé uniforme. Ceci signifie que ses caractéristiques locales sont les mêmes en chaque point du circuit. Pour un tronçon élémentaire d’un câble de longueur dz, on définit un certain nombre de paramètres :

> Voir document 

 

2. Composants passifs

 

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3. Composants actifs

a. Position du problème

En basses fréquences, on modélise le transistor bipolaire à partir d'un schéma simplifié avec une bonne approximation. Il n'en est plus de même en haute fréquences, à cause : 

• des éléments réactifs 

• des phénomènes de propagation 

 

Suivant les domaines d'application, on utilise les composants actifs suivants : 

• le transistor bipolaire NPN au silicium, 

• le transistor à effet de champ au silicium ou à l'arséniure de gallium, 

• les circuits intégrés hybrides et les circuits intégrés monolithiques. 

 

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4. Composants spéciaux

Les montages électroniques en radiofréquence utilisent un certain nombre de circuits passifs ou actifs (composants passifs + diodes). L'objectif de ce paragraphe est d'en faire une présentation succincte. La plupart des exemples sont tirés de documentations Mini-Circuits, Anaren et Merrimac.

 

En RF, des problèmes d'adaptation d'impédances, empêchent d'utiliser un simple « T » coaxial pour réaliser une jonction. On utilise pour cela un diviseur de puissance dont le schéma est le suivant : 

> Voir schéma 

 

 

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