Récepteur radio - Définition

Un récepteur radio (poste de radio, transistor, tuner, ...) est un appareil électronique destiné à recevoir les ondes électromagnétiques (anciennement appelées radioélectriques) émises par un émetteur radio. Sa fonction est aussi d'extraire de ces ondes les informations, qui y ont été incorporées lors de leurs émission : sons ou signaux numériques (RDS, DRM Digital Radio Mondiale, signaux horaires, cartes météo, transmissions d'images ou de données par satellite).

Étymologies

• Le terme radio provient du latin "radius", rayon, et a été adopté progressivement avec le développement de l'usage de la radio.
• " Tuner " vient de l'anglais " to tune " qui veut dire accorder.
• Le mot " tuner " désigne l'ensemble des circuit d'accord HF, d'amplification HF et du premier changement de fréquence de HF vers FI (fréquence intermédiaire) d'une radio ou d'une télévision, ce système ne comprend pas les circuits de détection, ni les étages amplificateurs BF de puissance. Il comprend l'oscillateur et le mélangeur du premier changement de fréquence.
• Pour les ondes courtes, OC (ou SW pour short waves en anglais), on parle souvent " d'étage de conversion " ou de " convertisseur " s'il l'étage est extérieur au récepteur principal, le terme " tuner " étant plutôt réservé à la modulation de fréquence, FM, et aux ondes ultra-courtes, VHF et UHF.
• Par extension, le terme " tuner " désigne un élément constituant la partie " radio " d'une chaine audio haute fidélité raccordé à l'amplificateur BF.

Les Ondes

• Les ondes électromagnétiques sont caractérisées par leur fréquence ou leur longueur d'onde. On a défini un certain nombre de bandes de fréquences (voir ci-dessous, spectre des ondes électromagnétiques). Les autorités compétentes définissent les applications autorisées dans les différentes bandes de fréquence. Par exemple :
  • bandes pour radiodiffusion, en modulation d'amplitude (AM) ou en modulation de fréquence (FM) ou en systèmes numériques ;
  • bandes pour la télévision ;
  • bandes radioamateur ;
  • bandes pour transmission radio professionnelle (civile et militaire) ;
  • bandes pour la téléphonie mobile ;
  • bandes pour les radars et systèmes de détection ;
  • etc.

Fonctions d'un récepteur

Les signaux formés par les ondes électromagnétiques sont captés par une antenne. Celle-ci, quelle qu'elle soit, reçoit de nombreux signaux qu'il faut différentier. Un récepteur doit donc être capable de :

• sélectionner, parmi les nombreux signaux, le signal désiré ;
• amplifier ce signal afin de permettre son traitement ultérieur ;
• démoduler le signal, qui est modulé en amplitude, en fréquence, en phase ou de type numérique, afin de récupérer une copie fidèle du signal original, appelé signal modulant.

Caractéristiques principales d'un récepteur

Sensibilité

La sensibilité d'un récepteur est l'amplitude du signal qu'il faut appliquer à son entrée pour obtenir à la sortie du démodulateur un rapport signal/bruit déterminé (en général, 30 ou 50dB). Elle s'exprime en volts ou dBV (tension de référence égale à 1V). Elle est mesurée en utilisant un générateur de signaux calibrés ; le signal de sortie est modulé à 30% par un signal audio d'1kHz.

Pour les récepteurs grand public en modulation d'amplitude, incluant l'amplificateur audio et le haut-parleur, on définit souvent la sensibilité comme la tension qu'il faut appliquer à l'entrée pour obtenir une puissance de 50mW dans le haut-parleur.

Pour les récepteurs portatifs à antenne ferrite intégrée, on indique le champ électrique nécessaire pour obtenir le rapport S/B déterminé et on donne donc la sensibilité en V/m.

Sélectivité

La sélectivité d'un récepteur décrit l'aptitude du récepteur à séparer le signal désiré de signaux perturbateurs (autres émetteurs, par exemple) à des fréquences voisines.

On peut tirer la sélectivité d'un graphique donnant la réponse en fréquence du récepteur : on règle le récepteur et le générateur de signaux sur la même fréquence et on règle le générateur pour avoir 50mW dans le haut-parleur. Puis, sans toucher à l'accord du récepteur, on modifie la fréquence du générateur et on note la puissance reçue ; on recommence à différentes fréquences.

Souvent les constructeurs se bornent à donner le facteur de réjection du canal adjacent ou du canal alterné, càd. le rapport entre les puissances mesurés dans le haut-parleur lorsque, le récepteur étant réglé sur la fréquence Fp, le générateur est réglé à la fréquence Fp, Fp + LC ou Fp + 2LC. LC, la largeur d'un canal, est de 5 ou 10kHz pour les émission AM en ondes courtes, 9 ou 10kHz pour les émission AM en ondes moyennes ou longues, 200 ou 300kHz pour les émissions en FM en ondes ultra-courtes.

Stabilité

Cette caractéristique indique comment l'accord du récepteur change si la température ambiante ou la tension d'alimentation changent. Dans les récepteurs superhétérodynes, les plus courants, la stabilité du récepteur est déterminée par la stabilité en fréquence de l'oscillateur local.

La stabilité s'exprime en Hz/°C ou en Hz/V.

Dynamique

La dynamique du récepteur est le rapport entre le signal le plus grand toléré à l'entrée (si le signal est trop grand, des distorsions apparaissent) et le signal le plus faible (déterminé par le bruit du récepteur). Elle s'exprime en dB.

Les Composants

Un récepteur radio est constitué de plusieurs blocs ayant chacun une fonction bien précise.

L'antenne

La fonction de l'antenne est de convertir les ondes électromagnétiques provenant de l'émetteur en signal électrique (courant ou tension) qui sera appliqué au récepteur. Il existe de nombreux types d'antennes, le choix dépend principalement de la bande de fréquences que l'on désire capter : antenne dipôle, dipôle replié, antenne cadre, antenne ferrite, antenne Marconi, antenne rhombique, antenne Yagi.

Dans les récepteurs portatifs, l'antenne est directement raccordée au récepteur ; dans les récepteurs fixes, l'antenne est généralement placée à une certaine distance du récepteur. On placera l'antenne en un endroit bien dégagé, avec un minimum d'obstacles susceptibles de faire écran, souvent sur le toit des bâtiments ou en haut d'une tour. L'antenne est alors reliée au récepteur par une ligne de transmission, câble coaxial ou ligne bifilaire.

Les amplificateurs

Comme les signaux captés sont généralement très petits (microvolts ou millivolts), il est nécessaire d'amplifier le signal. On distingue différents types d'amplificateurs :

• amplificateur RF (radiofréquence) : il amplifie le signal d'antenne, ou le signal provenant de l'ampli RF précédent ;
• amplificateur FI (fréquence intermédiaire) : il amplifie un signal à la fréquence intermédiaire qui sort de l'étage mélangeur ; voir plus bas récepteur superhétérodyne et récepteur à double changement de fréquence ;
• amplificateur audio : il amplifie le signal audio qui provient de la démodulation du signal capté par l'antenne.

Le mélangeur

Un mélangeur est un étage auquel on applique d'une part le signal d'entrée, capté par l'antenne et généralement amplifié par un ampli RF, et d'autre part un signal non-modulé, provenant d'un oscillateur local, càd. intégré au récepteur. Après filtrage, le signal de sortie du mélangeur est décalé en fréquence, toujours la même, mais avec les mêmes composantes spectrales que le signal d'origine.

L'oscillateur local

Il fournit le signal qui, injecté à la deuxième entrée du mélangeur, permet la transposition du signal en provenance de l'antenne appliqué sur la première entrée vers la fréquence intermédiaire (FI).

Le démodulateur

D'une façon générale, un démodulateur opère la fonction inverse d'un modulateur. Alors que ce dernier modifie une des caractéristiques (amplitude ou fréquence) d'un signal haute fréquence appelé porteuse, le démodulateur extrait l'information qui avait été confiée à la porteuse et (si tout fonctionne bien), permet d'obtenir une copie fidèle du signal audio original (musique, paroles...).

Dans un récepteur en modulation d'amplitude, le démodulateur est souvent appelé détecteur (de crête).

Le haut-parleur

Sa mission est de convertir le signal démodulé en ondes sonores perceptibles par l'oreille humaine.

Les filtres

Comme une antenne reçoit de très nombreux signaux, il est nécessaire de recourir à des filtres pour se débarrasser des signaux indésirables. Le plus souvent, on fait appel à des filtres passe-bande, qui laissent passer les signaux dont la fréquence se trouve dans la "fenêtre" du filtre. Caractéristiques principales de ces filtres : la fréquence centrale (le milieu de la "fenêtre") et la largeur de bande (la largeur de la "fenêtre").

Technologie

A l'aube de l'électronique, les fonctions citées étaient réalisées à l'aide de tubes à vide. Puis vint l'ère des transistors. Actuellement, et depuis une ou deux décennies, l'essentiel des composants électroniques du récepteur se retrouvent au sein d'un même circuit intégré. Ne peuvent être intégrés : l'antenne, le haut-parleur, le potentiomètre de réglage de volume, le condensateur de réglage de la fréquence (présent dans certains récepteurs), les composants d'alimentation.

Il faut distinguer et ne pas confondre les technologies de construction des appareils, qui évoluent selon l'état de la technique et les contraintes économiques du moment, avec les principes de fonctionnement de ceux-ci : une radio RDS à affichage LCD dotée de la fonction de recherche automatique des stations fonctionne toujours selon le même principe qu'un poste à lampes, ce qu'ils ont de différent ce sont les technologies et le traitement des signaux utiles.

Pour les filtres, on peut utiliser :

• des circuit LC ; ces filtres peuvent être réalisés pour pratiquement n'importe quelle fréquence, la fréquence centrale peut être modifiée en utilisant un condensateur variable ; mais les flancs du filtre ne sont pas raides, ils laissent donc passer, en les atténuant, des composantes en dehors de la "fenêtre" ;
• des filtres céramiques ou des filtres piézo-électriques ; ces filtres sont plus chers, donnent une meilleure réponse en fréquence (flancs plus raides) mais ni la fréquence centrale ni la largeur de bande ne peuvent être modifiés.

Principales structures de récepteurs

Récepteur à amplification directe

La structure de ce récepteur est très simple :

• un ou plusieurs étages d'amplification portent le signal d'antenne à un niveau suffisant pour permettre un fonctionnement correct du démodulateur (typiquement 300 mV) ;
• un filtre de bande élimine les signaux indésirables ;
• le démodulateur extrait du signal modulé le signal modulant, càd. l'information originale ;
• celle-ci est transmise à l'amplificateur audio, qui pilote un haut-parleur ; le réglage de l'intensité sonore est réalisé par un potentiomètre (non indiqué sur le schéma) placé à l'entrée de l'amplificateur audio.

Dans cette structure, la sensibilité est déterminée par le gain de l'amplificateur RF. Il est difficile d'obtenir une sensibilité élevée car, si le gain de l'amplificateur RF est élevé, il a tendance à osciller, càd. à produire un signal de forte amplitude qui n'a rien à voir avec le signal capté.

Signalons que la plupart des récepteurs sont équipés d'un contrôle automatique du gain, qui ajuste le gain en fonction de l'amplitude du signal capté ; le gain est élevé pour des petits signaux, faible pour des signaux forts, de façon à ce que l'amplitude à l'entrée du démodulateur soit pratiquement indépendante de l'amplitude du signal reçu.

La sélectivité du récepteur dépend du filtre. Pour capter différents émetteurs, il faut pouvoir changer la fréquence centrale de celui-ci, ce qui implique l'utilisation de circuits LC. La réponse en fréquence de tels filtres est loin d'être optimale, et la largeur de bande change en même temps que la fréquence centrale.

Bref, malgré sa simplicité, le récepteur à amplification directe est peu utilisé ; sa principale application, c'est lorsqu'on veut capter un seul émetteur, dont le signal est relativement fort.

Récepteur superhétérodyne

Le récepteur superhétérodyne est la structure de récepteur la plus utilisée, tant en radio qu'en télévision ou en hyperfréquences (radar, GSM, GPS...). Elle est caractérisée par l'utilisation d'un étage changeur de fréquence, ce qui permet une amplification plus aisée du signal.

Le schéma ci-dessous montre la structure du récepteur superhétérodyne.

• Un filtre d'antenne élimine les signaux indésirables ; il est souvent placé avant l'ampli RF, de façon à éviter que des signaux indésirables éventuels, de forte amplitude, ne saturent l'ampli RF.
• L'amplificateur RF assure une première amplification ; il est conçu de façon à obtenir le meilleur rapport signal/bruit possible ; ceci est particulièrement important pour les récepteurs destinés à la réception de signaux à des fréquences élevées (supérieures à 30MHz) ; en effet, à ces fréquences, le bruit extérieur au récepteur est faible, il est donc important que le bruit interne soit le plus faible possible.
• Le mélangeur est la pièce maîtresse du récepteur superhétérodyne ; lorsqu'on applique à ses entrées des signaux de fréquences Fo et Fp (ce dernier est un signal modulé en amplitude ou fréquence), on retrouve en sortie des signaux non seulement à Fo et Fp mais aussi à Fo + Fp et |Fo - Fp|. Le filtre FI va supprimer les composantes Fo, Fp et Fo + Fp, ne laissant que la composante |Fo - Fp|. L'on a donc réalisé un changement de fréquence, càd. une modification de la fréquence centrale du signal modulé, sans changer l'allure du spectre ; la nouvelle fréquence centrale |Fo - Fp| s'appelle fréquence intermédiaire, FI.
• L'oscillateur local pilote la seconde entrée du mélangeur ; on règle sa fréquence Fo de façon à ce que la fréquence intermédiaire soit fixe, indépendante de la fréquence du signal d'entrée ; deux fréquences sont possibles : Fo = Fp + FI ou Fp - FI.
• Grâce au changement de fréquence, l'on peut utiliser un filtre de fréquence centrale fixe ; on choisira en général un filtre céramique, qui permet d'obtenir une bonne réponse en fréquence (flancs raides) et donc une bonne sélectivité ; le filtre FI supprime les signaux indésirables à des fréquences proches de Fp, ainsi que les composantes indésirables générées par le mélangeur.
• L'amplificateur à fréquence intermédiaire est responsable de l'essentiel du gain du récepteur ; il est souvent constitué de plusieurs étages avec un contrôle automatique du gain (CAG); il amène le signal au niveau nécessaire pour la 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 appelé détecteur à quadrature ou détecteur synchrone).
• L'amplificateur audio amplifie le signal démodulé et pilote le haut-parleur.

Signalons que l'utilisation d'un mélangeur introduit un problème qui était absent dans les récepteurs à amplification directe. Soit en effet un récepteur où Fo vaut Fp + FI. Que se passe-t-il si l'antenne capte un signal à une fréquence Fo + FI ? Si ce signal arrive jusqu'au mélangeur, il va créer en sortie du mélangeur une composante à la fréquence FI, indistinguable du signal désiré ! On risque donc une fameuse cacophonie. Cette fréquence Fo + FI est appelée fréquence image ; il est impératif d'atténuer fortement des signaux éventuels à cette fréquence avant d'arriver au mélangeur, càd. au niveau du filtre RF.

Dans un récepteur superhétérodyne, les différentes fonctions, amplification, filtrage, démodulation, sont confiées à des étages distincts :

• la sensibilité est déterminée par les différents amplificateurs ;
• la sélectivité est déterminée par le filtre FI ;
• la réjection de la fréquence image est assurée par le filtre RF.

Remarque : un montage hétérodyne désigne un mélangeur où le battement entre les deux signaux d'entrée produit un signal à fréquence audible. On a choisi le terme superhétérodyne pour signifier qu'ici, le signal du mélangeur est à une fréquence (la FI) très supérieure aux fréquences audibles.

Le récepteur superhétérodyne

Récepteur à double changement de fréquence

Dans le récepteur superhétérodyne, la valeur de la fréquence intermédiaire influence à la fois la sélectivité et la réjection de la fréquence image. Lorsque la FI est grande, la réjection de la fréquence image est aisée (puisqu'elle est située à 2.FI de Fp) mais il est difficile d'obtenir une bonne sélectivité.

C'est la raison pour laquelle certains récepteurs (ondes courtes, mais aussi récepteurs de signaux de satellites, radar...) mettent en œuvre un double changement de fréquence. Le premier changement de fréquence utilise une fréquence intermédiaire (FI1) relativement élevée (par exemple 5 MHz) de façon à rejeter aisément la fréquence image. La seconde fréquence intermédiaire, FI2, sera nettement plus basse (par exemple 455 kHz), ce qui permet d'utiliser des filtres céramique ayant une bande passante étroite et des flancs raides.

Puisque FI1 est fixe, le second oscillateur local travaille à fréquence fixe ; on peut stabiliser sa fréquence à l'aide d'un quartz. Il faut prendre de grandes précautions pour éviter un couplage entre les deux oscillateurs (blindages, découplages...).

Récepteur à conversion directe

La structure ressemble à celle du récepteur superhétérodyne, mais ici, on choisit Fo = Fp. La fréquence intermédiaire est donc nulle, et on retrouve à la sortie du mélangeur le signal modulant lui-même. L'ampli FI, le filtre FI et le démodulateur ont donc disparu.

• La sensibilité du récepteur est déterminée par les amplis RF et AF. Vu la disparition de l'ampli FI, elle est moins élevée que celle d'un récepteur superhétérodyne.
• La sélectivité est déterminée par le filtre AF.
• Il n'y a pas de fréquence image, donc pas de problème de réjection de cette fréquence. Signalons cependant la nécessité d'avoir Fo rigoureusement égal à Fp, sinon le signal modulant est décalé en fréquence.

Cette structure est intéressante pour la réception :

• d'un signal à bande latérale unique (BLU) ; Fo est choisi égal à la fréquence de la porteuse qui a été supprimée à l'émission ;
• d'un signal Morse CW (Continuous Wave, càd. émission d'un signal sinusoïdal pur interrompu par la clé Morse) ; ici, Fo est choisie décalée d'1kHz par rapport à Fp, les "points" et "traits" du code Morse sont perçus comme des tonalités à 1kHz.

Techniques de réception

Technique de réception AM

Les principes de fonctionnement des récepteurs de radio AM (Modulation d'amplitude) sont multiples :

• Amplification directe.
• Réflex.
• Réaction.
• Super-hétérodyne.

Technique de réception SSB ou BLU

Certains procédés particuliers de "modulation d'amplitude" permettent d'émettre et de recevoir une ou deux "bandes latérales" avec suppression totale ou partielle de la "porteuse".

• SSB "Single Side Band" en anglais ou BLU "Bande Latérale Unique" en français.

La réception en SSB ou BLU est en fait une réception classique en AM, les différences résident dans une sélectivité accrue de la chaine d'amplification FI, comportant souvent des filtres en céramique, à quartz ou mécaniques et dans un circuit spécial appelé BFO, pour "Beat Frequency Oscillator" ou oscillateur de fréquence de battement, dont le but est de recréer localement la porteuse supprimée, celle-ci est ensuite additionnée à la bande latérale unique reçue recréant ainsi une modulation AM classique pouvant être correctement détectée ou démodulée.

Le principal intérêt de ce type de modulation est sa faible sensibité aux parasites du fait de la largeur relativement faible occupée par l'émission SSB ou BLU sur le spectre radio. Le signal reçu a un rapport S/B "signal sur bruit" nettement meilleur que celui de l'AM, permettant ainsi d'atteindre des grandes distances avec des puissances d'émission relativement faibles.

Technique de réception FM

Les récepteurs de radio FM (Modulation de fréquence) fonctionnent sur le même principe que décrit ci-dessus, à ceci près qu'un circuit détecteur ou démodulateur spécial transforme la variation (ou modulation) de fréquence FM du signal haute fréquence HF à amplitude constante en une variation d'amplitude BF, ce circuit est appelé "discrimineur".

Le procédé d'émission et de réception en FM est particulièrement insensible aux parasites permettant ainsi la diffusion de programmes en "haute fidélité" et le plus souvent en "stéréophonie".

• Les parasites radio, atmosphériques par exemple, ont une amplitude très élevée et un spectre d'émission très large mais les circuits de réception FM sont conçus pour ne recevoir que les variations de fréquence, ils sont donc relativement immunisés contre ce type de parasites.

Un autre procédé de modulation apparenté à la "modulation de fréquence" est la "modulation de phase".