radio

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Présentation

radio, système de communication utilisant la propagation dans l'espace des ondes électromagnétiques.

En raison de leurs caractéristiques spécifiques, les ondes radio de différents domaines, correspondant à des plages distinctes de longueur d'onde, servent à des applications diverses ; elles sont habituellement identifiées par leur fréquence. On sait que, dans le vide, les rayonnements électromagnétiques se propagent à vitesse constante d'environ 300 000 km par seconde : cela reste vrai, en première approximation, dans l'atmosphère. Il s'ensuit que l'on peut aussi bien caractériser les ondes électromagnétiques par leur longueur d’onde (distance parcourue par le rayonnement dans le temps, ou période, nécessaire à un cycle) que par leur fréquence (nombre de cycles par seconde). Les ondes les plus courtes ont la fréquence la plus élevée ; les ondes les plus longues ont la fréquence la plus basse. Le nom de Heinrich Hertz, pionnier allemand de l'étude des ondes électromagnétiques, fut adopté pour désigner l'unité de fréquence : un cycle par seconde (hertz, abréviation Hz). Un kilohertz (kHz) représentera 1 000 cycles par seconde, 1 mégahertz (MHz) correspondant à 1 million de cycles par seconde et 1 gigahertz (GHz) à 1 milliard de cycles par seconde. Le domaine des ondes radio (dites encore ondes hertziennes) s'étend de quelques kilohertz (longueurs d'onde kilométriques) à plusieurs gigahertz (ondes centimétriques).

Les ondes radio sont utilisées non seulement pour la diffusion d'émissions radiophoniques mais aussi pour la télégraphie sans fil, la transmission des communications téléphoniques (voir Téléphone), la télévision, le radar, les systèmes de navigation et les communications spatiales. Dans l'atmosphère, les caractéristiques physiques de l'air entraînent de légères variations dans le mouvement ondulatoire et dans sa propagation, ce qui génère des erreurs dans des systèmes comme le radar. Les orages ou les perturbations électriques produisent également des irrégularités dans la propagation des ondes radio.

Dans une atmosphère uniforme, la propagation des ondes électromagnétiques s'effectue en ligne droite ; la surface de la Terre étant approximativement sphérique, les communications radio sur de longues distances sont permises par réflexion sur la couche de l'ionosphère. Les rayonnements hertziens de longueur d'onde inférieure à 10 m — que l'on répartit en hautes, très hautes et super hautes fréquences (VHF, UHF et SHF) — ne sont normalement pas réfléchies. La réception de ces ondes très courtes ne sera donc possible, en pratique, qu'en des points visibles en droite ligne de l'émetteur (portée optique). Les longueurs d'onde inférieures à quelques centimètres sont absorbées par les gouttelettes d'eau en suspension et par les nuages.

Un système typique de radiocommunication comprend deux composants principaux : un émetteur et un récepteur. L'émetteur génère des oscillations électriques à une fréquence radio dite fréquence porteuse : c'est l'onde porteuse, qui sera modulée en amplitude ou en fréquence. On sait qu'un signal ondulatoire quelconque se décompose en série de mouvements sinusoïdaux, dont l'ensemble constitue le spectre du signal : si la répartition des fréquences est continue ou quasi continue, celles-ci se répartissent sur un intervalle, la bande passante, dont la largeur sera déterminée par les valeurs minimale et maximale de la fréquence. Un signal modulé en amplitude se composera de la fréquence porteuse et de deux bandes latérales produites par la modulation, le signal modulateur venant s'ajouter aux crêtes et se retrancher aux ventres de l'onde porteuse ; il s'ensuit que l'onde porteuse devra présenter une fréquence supérieure à la bande passante du signal à transmettre. En modulation d'amplitude, chaque bande latérale présente précisément la même largeur que le signal servant à moduler l'onde porteuse. La modulation de fréquence (MF) produit plus d'une paire de bandes latérales pour chaque fréquence de modulation, finissant par constituer deux bandes latérales de grande largeur. Les variations complexes ainsi produites seront restituées à la réception d'une émission radiophonique sous forme de sons, et, pour une émission télévisée, sous forme de changements d'intensité lumineuse.

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L'émetteur

Les composants essentiels d'un émetteur radio sont un générateur d'oscillations, servant à convertir le courant électrique distribué commercialement en oscillations d'une fréquence radioélectrique déterminée ; des amplificateurs, permettant d'augmenter l'intensité de ces oscillations tout en conservant la fréquence désirée ; et un transducteur, convertissant l'information à transmettre en tension électrique variable, proportionnelle à chaque instant à l'intensité du phénomène. Pour la transmission du son, le transducteur sera un microphone et, pour les images, un dispositif photoélectrique, comme une caméra de télévision.

D'autres composants importants de l'émetteur radio sont le modulateur, qui applique les tensions de sortie du transducteur à l'onde porteuse pour en commander les variations d'amplitude ou de fréquence instantanée, et l'antenne, qui rayonne une onde porteuse modulée de manière similaire. Chaque type d'antenne présente des propriétés directionnelles particulières, (aptitude à rayonner plus d'énergie dans certaines directions que dans d'autres). On peut cependant modifier cette directivité : le diagramme de rayonnement ira ainsi d'un faisceau relativement étroit à une distribution quasiment uniforme dans toutes les directions (antenne omnidirectionnelle). Ce dernier type de diagramme de rayonnement est retenu pour la radiodiffusion et la télévision.

Les principes de conception et d'assemblage de ces différents composants dépendent des effets recherchés. On privilégie, par exemple, la légèreté du matériel et l'intelligibilité pour des équipements destinés à l'aviation. Pour des applications militaires, le coût est une considération secondaire, et la fidélité du son n'intervient pas. Pour une station de radiodiffusion commerciale, en revanche, si la masse et les dimensions restent sans incidence, le prix des équipements et la fidélité de la reproduction sont prioritaires au moment de l'achat. Pour ne pas risquer de brouiller les autres stations, la précision de la fréquence porteuse est également essentielle dans un espace hertzien de plus en plus encombré.

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Les oscillateurs

Dans une station de radiodiffusion ou de télévision typique, la fréquence porteuse est générée par un oscillateur à cristal de quartz rigoureusement contrôlé. La méthode fondamentale de réglage des fréquences utilise, dans la plupart des montages radioélectriques, des circuits résonnants, ou accordés, présentant des valeurs spécifiques d'inductance et de capacité. Ces circuits favorisent de ce fait le passage de courants alternatifs de fréquence donnée, tout en filtrant les autres fréquences. Mais, dans les cas où l'on veut s'assurer une fréquence extrêmement stable, un cristal de quartz ayant une fréquence naturelle propre d'oscillation électrique sert à stabiliser la fréquence. Les oscillations sont en fait générées à faible puissance par un tube électronique. Elles sont ensuite amplifiées dans une série d'amplificateurs de courant servant de circuits tampons, ou séparateurs, interdisant toute interaction entre l'oscillateur et les autres composants de l'émetteur, ce qui aurait pour effet de modifier la fréquence. Le quartz est taillé avec précision aux dimensions requises pour donner la fréquence désirée, qui admet cependant un léger ajustement par adjonction d'un condensateur pour produire la fréquence précise recherchée. Avec un circuit électrique bien conçu, un tel oscillateur présente des variations de fréquence n'excédant pas 0,01 p. 100. En installant le quartz dans une enceinte sous vide, à température constante, et en stabilisant convenablement les tensions d'alimentation, il est possible d'atteindre une stabilité en fréquence approchant 0,000 001 p. 100. Les oscillateurs à quartz sont surtout utiles dans les domaines des très basses, basses et moyennes fréquences (VLF, LF et MF). Pour les fréquences supérieures à 10 MHz environ, le maître oscillateur est conçu pour générer une fréquence moyenne, qui est ensuite doublée autant de fois qu'il le faut dans des circuits électroniques spéciaux (multiplicateurs). Lorsqu'un réglage rigoureux de la fréquence est superflu, des circuits résonnants peuvent être utilisés avec des tubes électroniques classiques pour générer des oscillations allant jusqu'à 1 000 MHz environ, et des klystrons réflex servent à générer les fréquences supérieures, jusqu'à 30 000 MHz.

Les magnétrons se substituent aux klystrons lorsque la puissance d'émission doit être plus importante.

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La modulation

Afin de transporter le signal, la modulation de l'onde porteuse s'effectue soit à bas soit à haut niveau. Dans le premier cas, le signal de fréquence vocale (ou audiofréquence) du microphone, peu ou pas amplifié, sert à moduler la sortie de l'oscillateur, l'onde porteuse modulée étant alors amplifiée avant de passer à l'antenne. Dans le second cas, les oscillations de fréquence radio (radiofréquence, ou RF) et le signal de fréquence vocale (audiofréquence, ou AF) sont amplifiés indépendamment, et la modulation s'effectue immédiatement avant le passage à l'antenne. L'onde porteuse peut être modulée en fréquence (FM) ou en amplitude (AM) par le signal.

La forme la plus simple de modulation est l'utilisation d'un commutateur, qui interrompt le signal modulant l'onde porteuse à intervalles donnés pour former les points et les traits dans le cas de la radiotélégraphie à onde entretenue.

L'onde porteuse peut encore être modulée en amplitude (et donc en intensité, proportionnelle au carré de l'amplitude) par les variations de fréquence et d'intensité d'un signal sonore, telle une note de musique. Cette forme de modulation d'amplitude (AM) est utilisée pour de nombreux services de radiotéléphonie, dont la radiodiffusion usuelle. La modulation d'amplitude sert également en téléphonie par courants porteurs, où l'onde porteuse modulée est transmise par câble, et pour la transmission d'images fixes, par câble ou transmission radio.

En modulation de fréquence, la fréquence de l'onde porteuse est modifiée, dans les limites d'un intervalle donné (l'excursion de fréquence), à une vitesse correspondant à la fréquence du signal sonore. Cette forme de modulation, mise au point dans les années 1930, a l'avantage de produire des signaux peu affectés par le bruit et les parasites émis par des sources telles que les systèmes d'allumage des moteurs d'automobiles et les orages, qui perturbent profondément les signaux modulés en amplitude. Aussi la radiodiffusion adopte-t-elle la modulation de fréquence, les émetteurs utilisant des bandes de fréquences élevées (88 à 108 MHz), convenant à des signaux à large bande passante, mais dont la réception n'est possible qu'à des distances assez faibles.

L'onde porteuse peut également être modulée en faisant varier sa phase en fonction de l'amplitude du signal. Toutefois, l'utilisation de la modulation de phase reste en général réservée à certains équipements spéciaux, du fait de la bande passante très importante qu'elle requiert.

Le développement de la technique d'émission d'ondes entretenues sous forme d'impulsions très brèves à des puissances extrêmement élevées, pour le radar en particulier, a conduit au développement d'une autre forme de modulation, la modulation d'impulsions en position, ou en phase, dans laquelle l'intervalle entre les impulsions et un train d'impulsions de référence varie en fonction du signal. Mais on peut encore moduler les impulsions en amplitude ou en durée.

L'information transportée par une onde modulée est restituée sous sa forme d'origine par un procédé inverse, la démodulation ou détection. Les ondes radio diffusées à basses et moyennes fréquences sont modulées en amplitude. À des fréquences plus élevées, on utilise des modulations en amplitude et en fréquence. À l'heure actuelle, pour la télévision, le son, par exemple, peut être transmis par modulation de fréquence, tandis que l'image est transmise par modulation d'amplitude. Dans le domaine des hyperfréquences (au-delà du domaine des fréquences ultra hautes, ou UHF), où de plus grandes largeurs de bande sont disponibles, l'image peut également être transmise par modulation de fréquence. Par ailleurs, on commence à mettre au point des systèmes permettant de diffuser son et images sous forme numérique, en tirant parti de ces fréquences élevées. De telles transmissions pourront un jour remplacer les techniques actuelles de diffusion de type analogique : les premières stations de radiodiffusion numérique sont opérationnelles au Royaume-Uni, et les normes de la télévision numérique sont arrêtées. Le « tout numérique », avec sa très large bande passante, permet d'envisager le multiplexage, une seule fréquence porteuse transmettant plusieurs signaux (et donc plusieurs émissions) simultanément.