Microphones HF Transmission hertzienne

MICROPHONES HF ET TRANSMISSION HERTZIENNE

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Préparation des micros HF Schure Béta 87 A  sur le plateau « n’oubliez pas les paroles » Plaine Saint Denis.

Rappels sur l’onde électromagnétique.

Microphones HF Transmission hertzienne dans 1 Cours Acoustique 2OndeElectromagnétique-150x82

L’onde électromagnétique peut se modéliser par un champ électrique et un champ magnétique perpendiculaire entre eux et perpendiculaire à la direction de propagation. Les variations des champs électriques et magnétiques sont liées par les équations de Maxwell (non étudié ici). La polarisation correspond à la direction et à l’amplitude du champ électrique : un champ E vertical correspond à une polarité verticale.

L’antenne de l’émetteur correspond au champ électrique. Une antenne verticale donnera donc une onde polarisée verticalement.  À chaque réflexion, la polarité de l’onde change. Une antenne hélicoïdale donnera une onde non polarisée: le champ E tournera autour de son axe au cours du temps (polarisation tournante).

Concernant la propagation de l’onde électromagnétique, on retrouve les mêmes propriétés que pour toutes les ondes :

Réflexion : réflexion sur la ionosphère, sur la parabole d’une antenne parabolique. Réfraction : lors d’un changement de milieu de propagation l’onde change de direction. Interférences : superposition de plusieurs ondes (parasites).

 Bandes de fréquences utilisées pour la microphonie HF.

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VHF : Very High Frequency. Comprises entre 30 MHz et 300MHz soit une longueur d’onde variant de 1m <λ< 10m

Cette bande VHF est divisée en Bande I, II et III :
• Bande I : La télédiffusion TV de 47 à 68 MHz. La bande 30- 45 MHz (dites bande 8 m) qui n’est presque plus utilisée par les micros HF.
• Bande II : La radiodiffusion en modulation de fréquence de FM de 87,8 à 108 MHz.
• Bande III : La bande de fréquences comprise entre 174MHz à 223MHz a été libérée pour les microphones HF en décembre 2011. Elle est de plus en plus libérée par les canaux TV 5 à 10. Mais elle est depuis peu occupée par l’arrivée de la RNT (Radio Numérique Terrestre) en DAB+ en région parisienne.

Remarque : la bande VHF est occupée par d’autres services : EDF, pompiers, ambulances de 68 à 87,5 MHz, militaire de 146 à 150 MHz et de 225 à 400 MHz etc….

UHF : Ultra High Frequency. Comprises entre 300 MHz et 3 GHz soit une longueur d’onde variant de 10cm < λ < 1m

Cette bande est utilisée de puis l’origine par les services de télédiffusion. Il s’agit de la Bande IV et V. Comprise entre 470 à 860 MHz à l’origine, elle ne s’étend plus que jusqu’à 790 MHz depuis l’arrivée de la TNT et de la 4G. Depuis cette année et uniquement en région  parisienne une deux nouvelles bandes 4G la limite autour de 700 MHz !

Les plupart des micros HF on été conçus pour cette bande. Il faudra donc vérifier à l’aide d’un scan zone les canaux TNT disponibles. Nous verrons en cours comment trouver les fréquences HF disponibles.

Les réseaux locaux sans fil (WLAN) utilise la bande comprise entre 2,4 et 2,4835 GHz : c’est le cas du WiFi et du Bluetooth. Des micros HF en modulation numérique utilise ces mêmes bandes.

SHF : Supra High Frequency. Comprises entre 3 GHz et  30 GHz soit : 1cm <λ< 10cm

Cette bande est essentiellement utilisée pour les transmission satellites.

La TNT et les changements de la bande UHF en décembre 2011 :

La TNT (Télévision Numérique Terrestre) occupe depuis cette date la bande comprise entre 470MHz et 790MHz. Un canal TV en TNT  correspond à 8MHz et comprend 6 programmes (SD) ou 3 programmes (HD). Savoir que dans chaque région, la TNT  occupe des canaux TV différents. Sur les 37 canaux TV disponibles, au moins 6 sont occupés par la TNT, ce qui laisse de nombreux canaux TV libres pour l’utilisation des micros HF.

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Ci-dessus canaux TNT occupé à La Plaine Saint Denis avant 2016.

Suite à l’arrivée de la 4G entre 791 et 882 MHz en 2011, l’ARCEP a ouvert deux nouvelles plages de fréquences : la plage VHF de 174MHz à 223MHz  décision N°2010 0849.pdf  et la plage situé entre 1,785MHz et 1,8MHz. Cette dernière bande n’étant pas très utilisées pour le moment (longueur d’onde trop courte) : il n’existe qu’un modèle Sennheiser.

Mais les quatre grands opérateurs français que sont Bouygues Telecom, Free, Orange et SFR ne se sont pas arrêté là. En 2016, ils ont tous déposé un dossier de candidature pour obtenir la bande des 700MHz, cette bande étant mise aux enchères par l’ARCEP. La région parisienne est la première a avoir accordée deux nouvelles bandes 4G juste au dessus de 700MHz. Il faudra attendre 2019 pour les autres régions. Les blocs de 700MHz sont très intéressant pour les opérateurs car les fréquences portent plus loin que les fréquences de 1 800 et 2 600 MHz qu’ils utilisent déjà. Mais que reste-t-il pour les micros HF ?

L’ARCEP ou Autorité de Régulation des Communications et des Postes, fixe les conditions d’utilisation des fréquences radioélectriques pour la radiodiffusion les microphones HF. Lien ARCEP Décision 99781 99782.pdf

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Rappel sur la transmission en modulation de fréquence FM.

Dans la transmission en modulation de fréquence (FM), l’amplitude du signal audio (BF) fait varier la fréquence d’une porteuse de haute fréquence (HF) généralement en MHz.

L’information utile est donc transmise dans les variations de fréquence et non d’amplitude : ce mode de transmission est beaucoup moins sensible aux parasites.

La différence entre la fréquence Max et la fréquence min prise par la porteuse correspond à l’excursion de fréquence. Plus exactement : ΔF = (Fmax – Fmin)/ 2

L’excursion de fréquence est normalisée. Elle est de  +/- 56 kHz pour la microphonie HF et de +/- 75 kHz pour la radio FM.

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Encombrement spectral du signal FM.

La décomposition spectrale du signal FM nous donne une raie pour la porteuse et un ensemble de raies de part et d’autre de celle-ci espacées de f correspondant à la fréquence du signal (BF) à transmettre.

Lorsqu’on augmente l’excursion de fréquence le nombre de raies augmente. Comme l’encombrement hertzien est limité, on a normalisé les excursions en fréquences pour ne pas déborder sur les fréquences voisines.

Pour respecter cette excursion de fréquences normalisée, on doit compresser le signal avant sa transmission.

En radio FM tous les émetteurs sont munis d’un limiteur permettant d’éviter de dépasser l’excursion de fréquence normalisée.

Spectre FM CarsonRègle de Carson.

La règle de Carson est approximative mais très pratique : elle nous permet de calculer très rapidement l’encombrement spectral B en fonction de la BP du signal à transmettre et de l’excursion de fréquence. En ne gardant que les raies contenant au moins 98% de la puissance du signal on a :

B = 2 ( ΔF + 2BP)  On peut aussi prendre: B = 2 ( ΔF + BP)

Avec : B= encombrement spectral ΔF= excursion en fréquence BP= bande passante

Pour un micro HF avec une excursion de 56Hz et une bande passante de 20Hz.
B = 2 (56+(2*20)) = 192KHz

Pour la radio, l’excursion est de 75Hz et la bande passante de 15Hz :
B= 2 (75+ (2*15)) = 210 KHz

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Les systèmes « companders » ou compresseurs/expanseurs

Les signaux transmis sont compressés (en dynamique) au niveau de l’émetteur et décompressés en arrivant dans le récepteur. Dans l’émetteur, le compresseur ramène la dynamique du signal BF à 50dB/60dB juste avant l’étage HF, ce qui est parfaitement adapté à l’excursion de fréquence fréquence normalisée à +/- 56 kHz.  Il est possible ainsi d’avoir une dynamique de 90dB et même plus. Cela permet aussi d’augmenter le rapport signal/bruit en réduisant le bruit de fond. Pour les amateurs en électronique les fabricants utilisent des circuits intégrés universels de la famille des NE570-572.

Pour une transmission en numérique avec les modulations numériques comme la 16 PSK, la QAM etc… cette compression n’a pas de sens. L’utilisation d’un codec joue un peu le même rôle en limitant le débit.

La préaccentuation des fréquences aiguës : Le principe de la préaccentuation est de renforcer les aigus à l’émission et de les réajuster à la réception (désaccentuation). En effet ce sont ces fréquences qui sont plus sensible au bruit. Cette préaccentuation permet d’augmenter le rapport signal/bruit. Elle est assurée par un filtre RC normalisé à 50 µs.

Qu’est-ce que le squelch ?  Le mot squelch veut dire silencieux en français. Le squelch est une fonction réglable sur le récepteur HF, permettant de rendre muette la sortie de celui-ci lorsque le signal de réception tombe en-dessous d’un certain seuil. On peut considérer le squelch comme un noise-gate. Plus exactement, c’est un noise-gate sur la sortie audio (BF) commandé par la tension HF des circuits de gain automatique (AGC) du récepteur. Le squelch permet d’éviter le bruit en sortie en fermant la sortie du récepteur en cas de décrochage,  le bruit est alors remplacé par du silence. Réglé trop haut, le seuil du squelch aura tendance à produire des micro-coupures de son très fréquentes. Seuls les systèmes de réception superhétérodynes peuvent avoir un circuit silencieux.

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Système récepteur Shure UR4D permettant de recevoir sur plusieurs canaux. Ce système comprend des châssis ainsi que d’autres éléments permettant de raccorder les antennes et récupérer les sorties audios BF.

Les Problèmes d’intermodulation.

Les problèmes d’intermodulation apparaissent lorsqu’on veut transmettre sur plusieurs canaux. Dès lors, on est limité par le choix des fréquences des porteuses. Il faut éviter que la nouvelle fréquence choisie soit une combinaison linéaire des fréquences déjà existantes. On parle de problème d’intermodulation d’ordre 3, 5 etc… Et on les note IM3, IM5…

-          IM1 multiple l’une de l’autre : f2 = n f1 : inter modulation d’ordre 1 très rare.

-          IM2 une fréquence ne doit pas être égale à la somme ou la différence de deux autres fréquences porteuses : f3 = f1+f2 ou f3 = f2-f1

-          IM3 : f3 = 2f1+f2 ou f3 = 2f1-f2  ce cas est très fréquent

-          IM5 : f3 = 3f1+2f2 ou f3 = 3f1-2f2 ou f3 = 3f2-2f1 ces cas sont aussi très fréquents…

Pour résumer : une fréquence ne doit pas être égale à une combinaison linéaire de deux autres fréquences.

Plan de fréquences : sur le terrain, le technicien doit choisir des fréquences pour qu’elles fonctionnent bien ensemble sur le lieu de la captation. Les fabricants groupent les fréquences qui peuvent fonctionner ensemble sans problème d’intermodulation. Sennheiser les appelle « bank ».

Il existe des fonctions  « autoscan  » permettant de trouver automatiquement les plages de fréquences disponibles et ne posant pas de problème d’intermodulation.

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Texte et photos © Chris luck 2012 révision en cours 2016

 

 

Exemple de contrôle de TES sur les micros HF

Microphones émetteurs

Caractéristiques techniques du microphone émetteur SKM 5000  SENNHEISER données sur le document.

1 – Sur le document explicitez les caractéristiques pointées par une flèche en 1, 2, 3 et 4.

2 –  Définir les termes « excursion nominale/crête » point 5.

3 –  Le microphone SKM 5000 SENNHEISER correspond à un système de transmission bande large. Dans quel(s) cas utilise-t-on la transmission bande large et la transmission bande étroite ?

Etude du système récepteur SENNHEISER EM 1046

Du côté des récepteurs, on utilise le système récepteur SENNHEISER EM 1046 permettant de recevoir sur plusieurs canaux. Ce système comprend des châssis EM 1046 MF pouvant recevoir 8 récepteurs, ainsi que d’autres éléments permettant de raccorder les antennes et récupérer les sorties audios BF.

4 – Sur le document HF 5 Annexe 5 point 8. Quel est le rôle du « Squelch » ?

5 – Sur le document HF 6 Annexe 6, quel est le rôle des éléments EM 1046 AS212, EM 1046 AS113 et EM 1046 AS114  pointés en 9 ?

6 –  En vous inspirant des documents HF 2 Annexe 2 « exemple comédie musicale » et HF 3 Annexe 3, faire une liste des éléments nécessaires afin de répondre au cahier des charges, c’est-à-dire pour une réception sur 24 canaux UHF. Vous donnerez  le nom et la fonction de chaque élément. On utilisera 2 antennes Ground-Plane GZA 1036-TV.

Pour les éléments EM 1046 AS212, EM 1046 AS113 et EM 1046 AS114, justifiez bien votre choix pour répondre au cahier des charges.

7 – En vous inspirant du point 10. Faire une schéma de raccordement des éléments nécessaires avec les 2 antennes Ground-Plane GZA 1036-TV pour répondre au cahier des charges.

Le récepteur EM 1046 RX UHF est de type « Diversity » document HF 5 Annexe 5 et document HF 7 Annexe 7.

8 – Décrire en quelques lignes le principe de réception de cet appareil.

Le synoptique simplifié du module récepteur « Diversity »  EM 1046 RX UHF est représenté par le schéma fonctionnel donné sur le document HF 7 Annexe 7.

9 – Quel est le rôle des fonctions repérées par les points 1, 2 et 3.

10 – En réception multi canal on peut rencontrer des problèmes d’inter modulation (IM). Quelles sont les contraintes au niveaux du choix des fréquences porteuses pour éviter ces problèmes ?

Documents mis prochainement.

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RADIO FM

4-FMRadio02-150x116En radio FM nous avons les mêmes propriétés que pour la transmission HF des micros. Les fréquences utilisés vont de 87,5MHz à 108MHz. L’excursion de fréquence est de ΔF =+/- 75 kHz. Chaque canal occupe 200KHz. La porté est limité à une centaine de Km au maximum. Sur un département, pour un même programme, les  fréquences porteuses seront parfois différentes en fonction du lieu. Le son stéréophonique et des informations concernant le trafic, le programme musical et le nom de la station sont donnés grâce au RDS (Radio Data System).

L’encodage du signal stéréophonique en modulation de fréquence.

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Schéma de l’encodage stéréo Techiques du son Denis Mercier.

En radio FM le signal stéréophonique est divisé en un signal mono correspondant à la somme des deux canaux G et D, soit G + D et un signal stéréo correspondant à la différence G – D. Ce dernier signal module en amplitude une sous-porteuse à 38 kHz. Il s’agit d’une modulation d’amplitude à porteuse supprimée. De cette façon le signal stéréo est séparé du signal mono car situé au dessus. la décomposition spectrale est donnée ci-dessous.

5SpectreSt%C3%A9r%C3%A9o-150x82Un signal supplémentaire de référence « pilote » à 19 kHz sert à restituer facilement cette sous-porteuse lors de la réception, afin d’effectuer correctement la démodulation. Cela facilite en outre la reconnaissance automatique des émissions stéréophoniques par les récepteurs compatibles. Le récepteur peut passer en mode stéréo ou mono selon la qualité de réception du signal. Pour obtenir sélectivement les voies gauche ou droite, le récepteur stéréophonique effectue la somme ou la différence des deux signaux « G + D » et « G – D ».

D’autres informations  sont transmises sous forme numérique, via une sous-porteuse à 57 kHz, ce sont les signaux RDS pour Radio Data System. Ils contiennent des informations sur les fréquences de la radio en fonction de la région, des information textuelles surle nom des morceaux diffusés etc…

Donc un signal radio émettant en stéréo et utilisant le RDS, comprendra :

* le signal « G + D » de 30 Hz à 15 000 Hz sans modulation ;
* le signal pilote de 19 000 Hz ;
* le signal « G – D » de 23 000 Hz à 53 000 Hz  : modulation d’amplitude à deux bandes latérales, autour de la sous-porteuse supprimée à 38 000 Hz ;

-> L’ensemble du signal mono et stéréo modulé en amplitude correspond au signal multiplex MPX
* le signal RDS (deux bandes latérales autour de la sous-porteuse à 57 000 Hz, supprimée).

Pour en savoir plus sur cet encodage :  Encodage stéréophonique en radio FM

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Langage utilisé en radio  clic droit et ouvrir le lien dans une nouvelle fenêtre.

Schémas © Techniques du son Vol II Denis Mercier

© Chris Luc Vacheron

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