Modulateur universel

Article paru dans la revue Mégahertz

d'octobre 2001

Sur 1255 MHz et au-delà, la télévision d'amateur se pratique en modulation de fréquence, le rôle du modulateur consiste à faire varier la fréquence de l'oscillateur pilote de l'émetteur au rythme du signal vidéo que l'on veut transmettre. Sur ces fréquences, on utilise aussi au moins une sous porteuse son, le signal modulant est donc en fait l'ensemble signal vidéo plus sous-porteuse(s) son.

Le signal vidéo

La photographie numéro1 représente un signal vidéo vu à l'oscilloscope; il s'agit ici d'une mire noir et blanc composée de barres verticales de gris allant du noir (premier palier à gauche) jusqu'au blanc (palier supérieur à droite).

Les tops de synchronisation, d'une durée de 4,7 microsecondes tombent à zéro volt, le niveau du noir (premier palier) est à 0,3 V; et le niveau du blanc (palier du haut) est à exactement 1V. Toutes ces valeurs correspondent à une mire débitant sur 75 Ohms. La durée entre deux tops synchros est de 64 microsecondes.

Photographie 1:Signal correspondant à une mire noir et blanc

La photographie numéro 2 correspond à une mire du même type, mais en couleur; les barres colorées vont du plus foncé à gauche (en fait du noir), au plus clair à droite (ici du blanc); on y remarque juste après le top synchro le burst chroma, qui est une salve à 4,43 MHz servant à synchroniser les circuits de décodage couleur du téléviseur. La phase du signal à 4,43 MHz qui se superpose aux six paliers colorés détermine leur couleur (information chrominance), tandis que leur amplitude, comme en noir et blanc, correspond à leur intensité lumineuse (information luminance).

Si l'on retire le signal à 4,43 MHz on retrouve l'image noir et blanc de la photo 1.

Photographie 2:Signal correspondant à une mire couleur

La pré-accentuation

Nous sommes en modulation de fréquence, afin d'améliorer le rapport signal sur bruit de la liaison, il est

nécessaire de favoriser à l'émission l'amplification des fréquences élevées; dans le récepteur ,un filtrage passe bas rétablira l'équilibre spectral du signal et diminuera le bruit dû aux fréquences élevées, ce qui est le but recherché. La courbe de réponse du filtre utilisé en émission est donnée figure 1.

figure 1: Courbe de réponse de la pré-accentuation

Nous pouvons voir sur la photographie 3 l'allure d'un signal noir et blanc après passage par le filtre de pré-accentuation: la sur-amplification des fréquences élevées s'y traduit par les pics qui suivent les fronts raides du signal.

Photographie 3: Mire noir et blanc après pré-accentuation

Nous avons un autre exemple sur les photographies 4 et 5: il s'agit d'une mire de salves de signaux carrés échelonnés entre 1 et 6 MHz; non pré-accentuée photo 4, et pré-accentuée photo 5. On voit bien que l'amplitude des salves de 6 MHz est plus grande que celle des salves à 1 MHz. L'image est compliquée par la présence des pics dus au fait que l'on utilise des signaux carrés, ces pics disparaîtraient avec des salves de sinusoïdes, mais une telle mire est plus dure à réaliser.

Photographie 4: Mire de salves avant pré-accentuation

Photographie 5: Mire de salves après pré-accentuation

Nous ne montrons pas de mire couleur pré-accentuée car le 4,43 MHz à la suite de sa forte amplification, envahit toute l'image, et l'on a du mal à s'y retrouver.

La sous-porteuse son

Il peut y avoir une ou plusieurs sous-porteuses son simultanées, leurs fréquences peuvent être de 5,5 MHz, 6 MHz, 6,5 MHz ou tout autre. Quelle que soit sa fréquence, il s'agit d'une porteuse modulée en fréquence par le signal BF; la modulation est du type large bande, comme celle des émissions de radiodiffusion FM, et non de la NBFM comme dans nos émetteurs 144 ou 432 MHz, cela signifie que l'on peut obtenir une excellente qualité BF.

Cette sous porteuse est ajoutée à la vidéo pré-accentuée avant d'attaquer la varicap du pilote modulé de l'émetteur (figure 2).

Figure 2: Mélange de la vidéo pré-accentuée et du son modulé en FM

La photographie 6 nous montre ce que l'on obtient dans le cas d'une image noir et blanc et d'une seule sous-porteuse: le signal à 6,5 MHz est venu s'ajouter sur tous les paliers de l'image, y compris les tops synchros.
Avec une mire couleur, le résultat est encore plus confus , vu que vient s'y ajouter le 4,43 MHz du signal de chrominance.

Photographie 6: Mire noir et blanc pré-accentuée avec sous-porteuse son

Le modulateur, partie vidéo

Le schéma complet du modulateur est donné figure 3: la vidéo attaque directement le circuit de pré-accentuation; ce circuit est classique avec ses résistances de 18 Ohms, 75 Ohms et 300 ohms, la self de 10 micro henrys, et le condensateur de 1700 picofarads (1200 pF en parallèle avec 470P pF, ou trois condensateurs de 560 pF en parallèle). Le circuit est chargé par 75 Ohms, constitués par la résistance de 82 Ohms en parallèle avec l'impédance d'entrée de l'étage qui suit. Dans ces conditions, l'impédance à l'entrée du circuit est de 75 Ohms, et convient à toute source vidéo.

Le transistor T1 (2N2222), selon la position du commutateur qui le suit, fonctionne soit en émetteur suiveur (commutateur vers le bas), soit en amplificateur de gain unité (commutateur vers le haut). Le gain est toujours de un, mais dans le premier cas le signal n'est pas inversé, et dans le deuxième cas il l'est.
L'étage T2-T3 NP-PNP apporte un gain fixe égal au rapport des résistances de 680 Ohms et 220 Ohms, soit un gain de trois.

T4 monté en émetteur suiveur joue un rôle d'abaisseur d'impédance et permet le réglage du gain vidéo de la chaîne grâce au potentiomètre ajustable de 470 Ohms placé dans son émetteur.
Le signal pris sur le curseur du potentiomètre attaque la base du 2N2219 final que l'on montera avec un radiateur. La résistance de 6,8 Oms dans son émetteur évite de le griller trop facilement en mettant accidentellement la sortie à la masse, si le gain global le permet on aura tout intéret à augmenter cette valeur, l'idéal étant de pouvoir monter à 75 Ohms. Cette sortie dans tous les cas sera chargée à la masse par une résistance de75 Ohms, 1Watt, proche comme décrit figure 4 ou déportée comme décrit figure 7.

Si un émetteur suiveur est utilisé à l'entrée du montage déporté, il faut remplacer la 3,3K dans la base de T5 par une 4,7K.

Figure 3: Schéma du modulateur

Figure 4: Attaque du VCO (Voltage Controlled Oscillator)

Le circuit imprimé du modulateur complet est donné figure 5, le cuivre est vu en transparence, le fichier correspondant est disponible en format GIF en bas de page; la partie cuivre mesure 11,4 cm.

Figure 5: Circuit imprimé du modulateur, vu en transparence.

Figure 6: Implantation des composants.

Sur les figures 4 et 7, la résistance R et le condensateur C amènent le signal modulant sur la diode varicap du VCO; la résistance peut être inutile dans le cas de l'utilisation d'un VCO non bouclé en phase.

Si ce modulateur est utilisé sur un émetteur existant, mais que l'on désire installer à distance, R et C existent déjà, il suffit donc de les déconnecter du modulateur d'origine, qui deviendra inutile, et de rajouter la résistance de 75 Ohms.

S'il s'agit d'un montage spécifique, le couple RC peut aller de 220 microfarads, 470 Ohms à 47 microfarads, 2200 Ohms. Une valeur inférieure à 470 Ohms pour R risque de charger exagérément l'oscillateur, une valeur trop élevée commence à faire filtre passe bas avec la capacité de la varicap et de l'oscillateur.

La boucle de phase doit tenir compte de cette résistance et de la 75 Ohms.


L'émetteur déporté

Sur 1255 MHz et au-delà, il est fortement conseillé de limiter la longueur des câbles coaxiaux à cause des pertes induites à ces fréquences; si l'antenne est trop éloignée (10 m en 1255, 2 m en 2320, et quelques centimètres en 10GHz), il vaut mieux disposer l'émetteur au niveau de l'antenne et faire monter l'alimentation et le signal modulant.

Figure 7: Cas où l'émetteur est placé en haut du pylône

L'alimentation de l'émetteur est acheminée par un câble quelconque de section suffisante, blindé si possible; en fait un câble coaxial convient idéalement, quelles que soient ses performances en HF; il faudra seulement tenir compte des pertes en ligne car l'âme est souvent fine, et penser à alimenter à la base avec une tension suffisante pour obtenir ce que l'on souhaite en haut. Le régulateur est intégré à l'émetteur.

Il est impératif de placer un gros chimique (2200 ou 4700 microfarads) en haut, juste à l'entrée du régulateur sous peine d'obtenir de belles raies horizontales sur l'image, dues à son départ en auto-oscillation.

La disposition de l'émetteur en sommet de pylône est toujours source d'inquiétude pour l'opérateur en période d'orage; on peut espérer que le condensateur aidera un peu à absorber les pics de tension induits sur nos câbles; il n'est pas interdit non plus, à l'entrée du régulateur de mettre toutes les protections habituelles: diode en inverse, diode transil, éclateur, etc.

Le signal vidéo est acheminé sur un câble coaxial 75 Ohms obligatoirement, chargé au sommet par la résistance de 75 Ohms 1 Watt. La qualité de ce câble n'est pas draconienne et doit être un juste milieu: il doit en fait être capable d'acheminer du 6,5 MHz sans perte notable. Le câble 75 Ohms, dit "satellite" prévu pour être monté sur fiches F semble être un très bon rapport qualité prix pour cette application.

Ici, la protection anti-foudre ne peut se faire par condensateur, on pourra envisager une diode en parallèle avec la 75 Ohms, anode à la masse, ou une Zener 8,2 V mais en sachant que cela affaiblira plus ou moins les fréquences élevées.

Quel que soit le câble utilisé, il aura toujours un peu plus de pertes sur 6,5 MHz que sur le continu, c'est la raison d'être du circuit RC 1,2 K 33 pF placé dans l'amplificateur NPN-PNP T2-T3,et dont le rôle est de pousser légèrement les fréquences élevées pour compenser la perte due au câble.

Cette valeur 1,2 K 33pF correspond expérimentalement à 33 mètres de câble satellite pour un VCO parfaitement linéaire en fréquence, ce qui est rare; la méthode de calcul de ces deux composants est donnée ici ainsi qu'une possibilité d'amélioration de la charge du câble par émetteur suiveur; une méthode expérimentale plus pratique est donnée ici.

Le modulateur, partie son

Toujours figure 3: la BF, au niveau ligne, attaque un amplificateur utilisant un simple uA741; l'impédance d'entrée est de 10 k, le niveau BF requis correspond à celui fourni par les sources classiques, caméscopes ou magnétoscopes; si l'on désire utiliser un microphone comme source, il faudra lui prévoir un préamplificateur.

La contre réaction 100k/120pF limite la bande passante BF à 13 kHz, ce qui est plus que nécessaire; on a tout intéret à réduire cette bande passante à 5000 Hz en mettant 330 pF et même à 4000 Hz en mettant 390 pF.

L'amplitude BF se règle par le potentiomètre P2 de 1 k.

Le curseur de ce potentiomètre commande la varicap double BB104 de l'oscillateur; cet oscillateur utilise un BF245 avec circuit accordé dans la gate et réaction sur la source (montage ECO Colpitts) . La valeur de la self dépend de la fréquence désirée: 10 microhenrys pour du 5,5 MHz, 8,2 microhenrys pour du 6 MHz, 6,8 microhenrys pour du 6,5 Mhz (fréquence de plus en plus adoptée).

La self peut être une simple self préfabriquée, format résistance, mais dans ce cas, il ne faut pas disposer plusieurs modulateurs sur la même fréquence dans le même châssis car elles rayonnent, et les voisines captent suffisamment de signal pour que cela produise des sifflements de battement dans tous les émetteurs. Dans ce cas, il faut utiliser des selfs en pot métallique, et en plus, si les modulateurs sont placés cote à cote, il faudra peut être les mettre dans des boîtiers individuels.

La sous-porteuse modulée en fréquence est récupérée sur la source du BF245 au niveau de la self 47 microhenrys, qui semble moins rayonner, et surtout moins capter, avant de passer par l'émetteur suiveur T7.

Le potentiomètre P3 de 470 Ohms placé dans l'émetteur de T7 permet de régler le niveau d'injection de la sous porteuse.

La vidéo après passage dans la 470 Ohms, et la sous porteuse après passage dans la 4,7 K s'additionnent dans le 2N2219.

Il y a quatre paramètres à régler dans un émetteur télévision:
-Le gain vidéo
-La fréquence sous-porteuse
-Le gain BF
-Le niveau de la sous-porteuse

Réglage simplifié du gain vidéo (P1)

Nous parlons ici de télévision à large bande compatible avec les récepteurs satellites analogiques les plus courants (largeur de bande 27 MHz).

On injecte en entrée vidéo la source que l'on va utiliser couramment en général une caméra ou un caméscope, et on règle le potentiomètre P1 de 470 Ohms pour obtenir une image correctement lumineuse sur un récepteur de contrôle placé derrière un tuner satellite.

Il est plus prudent de faire ce réglage avec un correspondant, car en contrôle local, on a souvent des effets de phase qui distordent l'image et rendent le réglage difficile. Il suffit de se déplacer dans la pièce pour faire apparaître ou disparaître le phénomène.

Si l'image apparaît en négatif, non synchronisée ,avec des barres verticales claires et ondulantes, c'est que l'on module en négatif, il suffit de basculer l'inverseur S1 pour que l'ordre revienne.

Cette méthode de réglage est tout juste admissible pour une station personnelle, elle serait inadmissible pour une station relais.

Réglage correct du gain vidéo (P1)

Il faut disposer au moins d'un oscilloscope et d'une mire, s'il n'y en a pas à la station, c'est une erreur, il est temps d'en faire une; un PIC 16F84 et quelques résistances et l'on a une mire noir et blanc dans la soirée.

Nous allons voir comment nous passer de tout autre instrument de mesure, excursiomètre par exemple:
On prend le tuner satellite qui sert à la réception, une parabole et une tête satellite, et on cale tout ça sur ASTRA par exemple, et sur une chaîne quelconque non cryptée, on observe la vidéo en sortie péritel chargée par 75 Ohms; il s'agit maintenant de trouver dans les premières lignes après le top trame, la ligne de contrôle que transmet l'opérateur: elle a l'allure représentée sur la photographie 7. Le repérage de cette ligne peut être laborieux avec certains oscilloscopes, un LM1881 qui détecte les trames, suivi d'un monostable peut être utile dans ce cas pour synchroniser l'oscilloscope directement sur la ligne souhaitée.

Photographie 7: Ligne de contrôle et rampe d'étalonnage

On y repère des marches d'escalier qui rappellent fortement la mire de gris de la photographie 1; d'ailleurs, c'en est une.

Entre le bas du top synchro et la marche haute de cette mire, on doit mesurer exactement un volt. Si ce n'est pas le cas, c'est que le récepteur satellite n'est pas correctement étalonné, mais ce n'est pas grave: s'il n'y a pas exactement 1 V, on note la valeur mesurée, disons V0.

On reconfigure alors le récepteur satellite sur la bande amateur, et on met l'émetteur en route avec la mire en entrée vidéo; la mire doit fournir exactement 1V sur l'entrée vidéo, sinon, la modifier en conséquence, car une mire est un appareil de mesure, pas un truc pour donner une image jolie (ou alors accessoirement), et elle doit être parfaitement étalonné.

Ceci fait, il suffit de recevoir cette mire sur le récepteur, et de régler le potentiomètre P1 de 470 Ohms pour obtenir exactement V0 sur la sortie vidéo péritel chargée par 75 Ohms que l'on avait utilisée tout à l'heure pour regarder ASTRA. (1 Volt exactement si l'on avait constaté que le récepteur était parfaitement étalonné).

L'émetteur est alors réglé en gain vidéo, ne plus jamais retoucher au potentiomètre P1; si par la suite on vous signale des images trop claires ou trop sombres, c'est que la source que vous utilisez n'est pas normalisée et fournit trop de tension, ou pas assez; ne retouchez pas à P1, agissez sur la source.

Réglage simplifié de la fréquence sous-porteuse (CV 3-30)

Avec le potentiomètre P3 de 470 Ohms à mi-course, on écoute son émission sur le téléviseur placé derrière le tuner satellite, en tournant le condensateur ajustable de 33 pF(et/ou le noyau de la self s'il y en a un), on trouve une plage du CV où le souffle BF disparaît dans le récepteur; on place le CV au centre de cette plage.

Même remarque sur la rigueur de cette méthode que plus haut : cette méthode ne peut pas être retenue pour régler un relais ATV.

Réglage correct de la fréquence sous-porteuse (CV3-30)

Avec le potentiomètre P3 de 470 Ohms à mi-course, ou à fond si nécessaire, sans vidéo à l'entrée vidéo, sans BF à l'entrée BF, on charge le 2N 2219 T5 par une résistance de 75 Ohms 1 Watt, on branche un fréquencemètre sur cette résistance, et on règle le condensateur ajustable de 33 pF (et/ou le noyau de la self s'il y en a un) pour lire 6500 kHz sur le fréquencemètre.

L'action sur P3 peut légèrement influer sur la fréquence de l'oscillateur; la température ambiante agit aussi, il est donc recommandé de recommencer ce réglage lorsqu'on est sur de ne plus avoir à retoucher P3, et quand la température du montage s'est bien stabilisée.

Réglage simplifié du gain BF (P2)

Brancher une source audio à l'entrée BF, en général un caméscope, et en parlant normalement dans la pièce, régler le potentiomètre P2 de 1 k pour obtenir le même niveau sonore sur le récepteur que quand vous écoutez une émission satellite. Il est bon de faire confirmer le réglage par un correspondant car il est difficile de bien estimer le niveau sonore de sa propre voix.

Réglage presque correct du gain BF (P2)

Là, nous allons supposer que le récepteur satellite est correctement étalonné, ce n'est pas très grave si tel n'est pas le cas, car le réglage du gain BF supporte beaucoup plus les écarts que celui de l'image.

Injecter en entrée BF un signal entre 800 et 1000 Hz, sinusoïdal de préférence, faisant 0,5 volt crête-crête, et brancher l'oscilloscope sur la sortie audio de la péritel chargée par 10 k.

Régler le potentiomètre P2 de 1 k pour obtenir exactement 0,5 V crête-crête.

Réglage simplifié du niveau de la sous-porteuse (P3)

Il faut un correspondant; une fois la liaison établie, avec un signal BF 800 ou 1000 Hz, 0,5 Vcc en entrée BF il faut, soit en plaçant des atténuateurs dans l'antenne de réception, soit en diminuant la puissance d'émission, amener l'image chez le correspondant à la limite de la disparition: couleur disparue, image non synchronisée, écran fortement soufflé: on se rend compte qu'il y a une image là derrière, mais on ne peut pas dire ce que c'est.

Régler alors le potentiomètre P3 de 470 Ohms vers le bas pour obtenir la même impression sur le son: fort souffle dans le haut-parleur mais présence du 1000 Hz que l'on entend dans le lointain.

Dès que l'on augmente la puissance de réception et que l'image synchronise, le son doit être compréhensible, quoi qu'encore un peu soufflé, il doit être sans souffle dès que la couleur accroche.

Comme on a touché à P3, penser à vérifier que la fréquence de la sous porteuse n'a pas bougé.

Autre réglage simplifié du niveau de la sous-porteuse (P3)

Le transistor T5 2N2219 étant chargé par 75 Ohms 1 W, on branche la mire noir et blanc à l'entrée vidéo, sans aucune source sur l'entrée BF.

Avec le niveau de sous-porteuse à zéro, on a sur la résistance de 75 Ohms le signal de la photographie 3; on mesure la tension entre le bas du top synchro et le palier du blanc: ici 0,5 volt.

On règle alors l'injection de la sous-porteuse par le potentiomètre P3 pour obtenir un signal comparable à celui de la photographie 6: l'amplitude du signal 6,5 MHz superposé est égale à celle du signal vidéo seul que l'on avait mesurée tout à l'heure, soit ici, 0,5 V.

Réglage correct du niveau de la sous-porteuse (P3)

La sous-porteuse doit se trouver à -16 dB de la porteuse principale, pour obtenir ce résultat avec certitude, il faut avoir recours à un analyseur de spectre, mais cela peut être celui du correspondant si l'on arrive correctement chez lui.

Sans image à l'entrée vidéo, et sans BF à l'entrée audio, on règle le potentiomètre P3 de 470 Ohms pour obtenir le spectre représenté sur la photographie 8; on y voit, les deux raies principale, à 6,5 MHz de part et d'autre de la porteuse principale, et 16 décibels en dessous de celle ci. Si le signal est assez puissant ,on peut voir comme ici les deux raies suivantes à 13 MHz de part et d'autre de la porteuse principale.

Photographie 8: Sous porteuse son 6,5 MHz à -16 dB de la porteuse principale

Si l'on met un signal vidéo en entrée, on obtient le spectre de la photographie 9, il n'est plus possible d'y discerner la sous-porteuse son, mais elle y est quand même, par contre on peut très bien constater la largeur de bande de l'émission, les 27 MHz y sont.

Photographie 9: Spectre d'une émission ATV en FM

Penser à vérifier que l'action sur P3 n'a pas fait dériver la fréquence de la sous-porteuse.

Note: Pour régler un émetteur ATV sur 2300MHz ou sur 10 GHz, il n'est pas nécessaire que l'analyseur de spectre monte à ces fréquence: en le plaçant derrière le convertisseur, et en prévoyant les découplages pour l'alimentation du convertisseur, il suffit (!) qu'il monte jusqu'à la fréquence intermédiaire, de l'ordre de 1,5 GHz.

Version à deux sous-porteuses

Il est possible de monter une deuxième chaîne audio identique à celle de la figure 3, et d'injecter la deuxième sous-porteuse dans la base de T5 2N2219 à travers une résistance de 4700 Ohms en série avec 10 microfarads.

Mais n'importe quel émetteur ne peut pas être ainsi impunément modulé par deux ou plusieurs sous-porteuses, il est nécessaire que sa réponse au signal modulant soit parfaitement linéaire, sinon il va fabriquer des produits d'inter modulation du second ordre qui vont apparaître sur l'image sous forme de moirages.

En effet, deux sous-porteuses à 6,0 et 6,5 MHz par exemple vont donner une raie à 500 kHz qui, même très faible, va sérieusement moirer l'image principale.

Dans la pratique, nous avons constaté que les émetteurs à VCO intégré ou à diode varicap supportaient très bien la double porteuse; par contre les émetteurs 10 GHz où l'on module, (parfois laborieusement) un DRO s'y refusent énergiquement.

Le circuit imprimé correspondant à un modulateur bi-fréquence est donné figure 8, le cuivre est vu en transparence.

Montage avec une voie son

• Pour télécharger le circuit imprimé en .gif cliquer ici

• Pour télécharger circuit imprimé en .ci de wincircuit 7 cliquer ici

• Dimensions du cuivre: 114x48 mm

Montage avec deux voies son

• Pour télécharger le circuit imprimé en .gif cliquer ici

• Pour télécharger circuit imprimé en .ci de wincircuit 7 cliquer ici

• Dimensions du cuivre: 112x71 mm

Figure 8: Circuit imprimé du modulateur bi-fréquence, vu en transparence.

Une modification pour stabiliser la fréquence de la sous-porteuse à l'aide d'une boucle de phase à MC145151 est décrite à la page VCO 6,5

Le modulateur peut attaquer une diode Gunn, il suffit de modifier le pont de base du 2219 pour obtenir la tension d'alimentation souhaitée sur son émetteur. (parfait si cette tension est de 7v)

A. Ducros F5AD

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