RetourLa communication radio en RC,caractéristiques essentielles Philippe Kauffmann, club des 5A Pardines (Auvergne) La transmission radio classique (entre 27 MHz et 75 MHz) Figure 1 : propagation de l’onde radio La figure 1 montre de façon simplifiée le lien entre un émetteur et un récepteur RC. Comme on peut le remarquer, même simplifiée, la relation est plus complexe qu’on pourrait le croire D’abord, l’émetteur n’envoie pas une onde unique en direction du récepteur, mais deux : l’onde directe, l’onde réfléchie par le sol. Ces deux ondes se combinent en formant des interférences. En particulier, lorsque le récepteur est proche du sol, l’onde réfléchie ─ en opposition de phase avec l’onde directe ─ affaiblit considérablement l’onde résultante ; si bien que la portée s’en trouve fortement diminuée. Les indications de portée des appareils données pour un récepteur à 1,5 m du sol ne sont donc pas comparables à ce qu’on obtient en l’air. Ensuite, l’onde radio étant une onde électromagnétique, elle est polarisée. Dans le cas d’antennes filaires ont doit considérer deux composantes : la composante horizontale, la composante verticale. L’antenne d’émission, selon son orientation, génère une composante horizontale qui peut être d’amplitude très différente de la composante verticale. De la même façon, selon son orientation, l’antenne de réception peut présenter une sensibilité très différente à la composante horizontale et verticale. Le signal reçu peut par conséquent à l’extrême être nul ─ même à faible distance ─ si l’antenne d’émission est strictement verticale (pas de composante horizontale émise) et l’antenne de réception strictement horizontale (sensibilité nulle à l’onde verticale). Enfin, le récepteur ne reçoit pas seulement l’onde radio qu’on lui destine, mais aussi des perturbations et du bruit « thermique ». Les perturbations sont négligeables quand tout va bien, mais peuvent devenir limitantes dans les zones industrielles, certaines zones urbaines ou sur des terrains encombrés de modélistes ou si on utilise du matériel mal antiparasité (voir article : Perturbations des transmissions RC). Le bruit thermique, aussi appelé bruit quantique, provient de l’agitation des atomes et est impossible à éliminer. Sa puissance Pb répond à l’équation 1 : Pb = 4.k.T.Δf (1) où k = 1.38 10-23 unités SI est la constante de Bolzman (grandeur physique fondamentale), T la température absolue et Δf la bande passante du récepteur. En pratique, on ne peut guère agir que sur T en refroidissant fortement le récepteur (c’est ce qu’on fait dans les satellites et les sondes spatiales), mais c’est impraticable en modélisme. Il ne sert donc à rien d’augmenter la sensibilité du récepteur en amplifiant le signal reçu car on augmenterait d’autant le bruit. La seule solution est donc d’avoir dès l’antenne de réception un signal utile suffisamment grand devant le bruit ; c’est ce qu’on appelle le rapport signal sur bruit S/B. Ceci limite donc intrinsèquement la portée du système à la puissance d’émission et la performance des antennes. Il est par conséquent inutile d'augmenter outre mesure la sensibilité d'un récepteur car le bruit thermique rendrait cette sensibilité inopérante. Les grandeurs et leurs unités L’objectif n’est pas ici de faire des mathématiques, on se contentera de préciser les unités utilisées traditionnellement dans les documentations des matériels radio. La grandeur la plus utilisée est la puissance transmise à l’émission, comme celle reçue à la réception. Elle s’exprime en W, mW, µW, nW ou pW. Comme les écarts peuvent être très grands on exprime bien souvent cette puissance sous forme logarithmique en utilisant les décibels (dB) dont la formule est donnée par l’équation 2 : Les dB sont soit relatifs, soit absolus en prenant une puissance de référence fixe Pr. Les dBm sont des dB absolus, c’est-à-dire relatifs à 1 mW. Exemples : un émetteur qui rayonne 500 mW a une puissance d’émission de 10xlog(500/1) = 27 dBm. Un récepteur qui a une sensibilité de -100 dBm peut se contenter d’une puissance P = 1mWx10-100/10 = 0.1 pW (soit 2,2 µV sur 50 Ω) à l’antenne. N. B. : ces valeurs sont typiques de nos systèmes de radiocommande en 27, 35, 40, 41, 72 ou 75 MHz (selon les pays). Une valeur de puissance de 0 dB (relatif) correspond à la valeur nominale (de référence). Une valeur de -30 dB correspond à un millième de la valeur nominale. La deuxième grandeur la plus utilisée est la sensibilité définie en microvolts. Cette valeur, souvent donnée pour les récepteurs, est malheureusement biaisée, car elle n’a de sens que si l’on précise le rapport signal sur bruit S/B correspondant. Elle ne permet donc pas de comparer précisément des récepteurs. De l’ordre de 2 µV ou moins le récepteur est « grande distance ». Au-dessus de cette valeur il s’agit en général d’un récepteur à gain limité pour l’indoor. La réception Pour comprendre le comportement d’une antenne de réception, le plus simple est d’établir son diagramme polaire. Celui de la figure 2 correspond à une antenne filaire horizontale de 70 cm de long, à 41,100 MHz, vue à 30° au-dessus du sol. La sensibilité est donnée pour les composantes horizontales et verticales en dB relatif (la sensibilité moyenne est donc ramenée arbitrairement à 0 dB). On remarque que l’antenne est surtout sensible à la composante horizontale et que cette sensibilité est maximum lorsque l’angle est de 90° ou 270° (antenne vue de coté, donc modèle vu de profil). Pour cette direction, la sensibilité à l’onde verticale est nulle. On remarquera que dans cet exemple la sensibilité à la composante verticale est au mieux 7 dB au-dessous de la composante verticale, ce qui signifie que l’antenne est au moins 5 fois plus sensible à la composante horizontale. Le plus important est les creux de sensibilité, directions pour lesquelles l’antenne est insensible à une composante ou une autre. Ces angles critiques sont 0°, 90°, 180° et 270°. Pour ces directions il y a danger de non réception car le signal devient trop faible. L’émission inclinée à 45° vers le modèle, 1,15 m au-dessus d’un sol standard L’analyse faite pour l’antenne de réception doit, bien entendu, aussi être faite pour l’antenne d’émission. Le cas est différent à cause de la réflexion par le sol (qui change selon le degré d’humidité du sol) et la présence du corps du pilote. Observations : · la composante verticale est dominante, · l’onde est plus forte vers l’arrière que vers l’avant (direction du modèle) car à 41 MHz le corps humain n’agit pas comme réflecteur, étant trop petit devant la longueur d’onde. La figure 4 nous permet d’observer ce qui se passe lorsqu’on s’oriente strictement vers le modèle. On observe cette fois que : · dans cette direction la composante horizontale privilégiée par l’antenne de réception est inexistante, · la puissance d’émission est fortement atténuée si le récepteur est à moins de 10° au-dessus du sol, · à 45° (direction de l’antenne) la puissance d’émission n’est pas du tout nulle contrairement à certaines croyances (à cause l’onde réfléchie par le sol), · on émet plus vers l’arrière que vers l’avant ! L'atténuation due à la distance La puissance reçue par l'antenne de réception est d'autant plus faible que le récepteur est éloigné de l'émetteur. L'atténuation résultante A qui est le rapport entre la puissance émise et la puissance reçue répond à l'équation 3 ci-après : Dans cette équation c est la vitesse de la lumière (300 000 km/s), f la fréquence de l'émetteur en Hz et d la distance en mètres. Une forme en dB plus commode est fournie en 4 : Adb = 42,35 + 20.log(f) + 20.log(d) (4) Cette fois ci la fréquence est donnée en MHz et la distance en kilomètres. Par exemple : Supposons qu'on ait un émetteur qui rayonne 500 mW (27 dBm) et que le gain vertical de l'antenne d'émission dans la direction considérée (20° au-dessus de l'horizon) soit de -5 dB comme dans la figure 4. Dans ce cas la P.I.R.E. (Puissance Isotropique Rayonnée Equivalente) dans la direction considérée sera de 27 – 5 = 22 dBm (voir paragraphe "Les grandeurs et leurs unités"), ce qui correspond à une P.I.R.E. de 158 mW. La P.A.R. (Puissance Apparente Rayonnée (comparativement à un dipôle qui a un gain intrinsèque de 1,76 dB )) qui correspond à la P.I.R.E. diminuée de 1,76 dB est limitée à 100 mW en France. Dans notre exemple la P.A.R. est de 105 mW, mais cette valeur est de toute façon mal connue, car fonction de l'antenne, de son orientation et de la qualité du sol… Si notre émetteur fonctionne sur 41,1 MHz, l'atténuation en dB à 1 km sera d'après l'équation 4 : AdB = 42,35 + 20.Log(41,1) + 20.Log(1) = 74,6 dB Si l'antenne de réception à une sensibilité de -14 dB à l'onde verticale (voir figure 2 et une inclinaison de 20°), la puissance reçue au récepteur sera de : PdB = 22 – 74,6 – 14 = -66,6 dB, ce qui est largement suffisant avec un récepteur d'une sensibilité typique de -100 dBm. En fait, la portée maximale serait dans ce cas de : 20.Log(d) = 100 – 66,6 => d = 42,8 km, soit bien plus que nécessaire… En fait, cette portée est illusoire, car il faut impérativement prendre en compte les cas les plus défavorables, c'est-à-dire lorsque les antennes ont l'orientation réciproque la plus mauvaise. La portée réelle résultante Les diagrammes polaires montrent que le couple "antenne d’émission ─ antenne de réception" est très mal appairé. En fait, ça ne fonctionne que grâce à la très forte puissance d’émission qui fait qu’il en reste toujours assez, même lorsqu’on est dans une zone à –20 dB pour l’antenne de réception comme d’émission. Il n’en reste pas moins vrai que pour des directions très précises il y a des décrochages que tous les modélistes ont connu à un moment ou un autre. Heureusement, ils restent brefs (en principe) car le modèle bouge vite par rapport à l’émetteur. Ainsi, donner une portée précise n’a aucun sens. Dans une direction favorable, cela se compte en dizaines de km comme on vient de le voir au paragraphe précédant, mais dans une direction particulièrement défavorable on peut descendre au-dessous de 10 m ! En particulier, proche du sol, il ne faut pas s’éloigner. L’essai préalable de portée au sol prôné par la FFAM prend tout son sens lorsqu’on regarde la figure 4. J’ai pu vérifier deux fois la pertinence de ce test : · fil d’antenne de réception cassé à l’entrée du récepteur qui tenait uniquement par la gaine souple (portée limitée à environ 10 m), · antenne télescopique qui faisait des faux contacts entre les segments et limitait ainsi sporadiquement la portée à quelques mètres. Changez les antennes qui présentent du jeu entre les segments et nettoyez les régulièrement avec de la bombe à contacts électriques. Les choix que l’on peut faire pour optimiser le fonctionnement sont limités. Notons simplement l’antenne fouet verticale de réception qui permet une polarisation émission/réception compatible. On peut obtenir un peu la même chose en laissant traîner verticalement l’extrémité de l’antenne au bout du fuselage. Il ne faut surtout pas raccourcir l’antenne de réception ou la replier sur elle-même, ceci dégraderait significativement la portée. En cas de perte de portée (forte distance), se mettre de profil ou incliner l’émetteur latéralement pour augmenter la composante horizontale pourra parfois sauver la mise. Se mettre de dos peut aussi être tenté, mais présente au moins un inconvénient évident !
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