Émettre une onde radio est une chose.
Mais retrouver dans l’air une information minuscule, noyée dans le bruit et entourée de dizaines d’autres émissions, en est une autre.
Aujourd’hui, un simple clic sur le waterfall d’un SDR suffit pour sélectionner une station située à plusieurs milliers de kilomètres. Pourtant, les premiers récepteurs étaient incapables d’afficher une fréquence, d’amplifier un signal ou même de produire du son.
Ils savaient à peine répondre à une question :
« Une onde vient-elle de passer ? »
Du cohéreur au SDR, plus d’un siècle d’inventions sera nécessaire pour apprendre à nos postes à détecter, amplifier, sélectionner et finalement analyser les signaux radio.
Voici comment les postes apprirent à écouter.
1890-1900 : détecter qu’une onde est passée
À la fin du XIXe siècle, les expériences sur les ondes électromagnétiques se multiplient.
Parmi les premiers détecteurs figure le cohéreur, associé notamment aux travaux du Français Édouard Branly à partir de 1890.
Le dispositif contient généralement de la limaille métallique placée entre deux électrodes.
Lorsqu’une onde radio suffisamment forte arrive, la résistance électrique du dispositif chute.
Le récepteur ne restitue pas encore véritablement un son.
Il indique simplement :
signal présent
ou
signal absent.
C’est néanmoins suffisant pour recevoir une succession d’impulsions et donc…
du Morse.
Les premiers récepteurs de télégraphie sans fil viennent de naître.
Vers 1906 : la galène donne une oreille à la radio
Le cohéreur va rapidement laisser la place à des détecteurs beaucoup plus sensibles.
L’un des plus célèbres utilise un cristal de galène, un sulfure de plomb.
Une très fine pointe métallique — la fameuse moustache de chat — vient toucher la surface du cristal.
En recherchant patiemment le bon endroit, l’opérateur obtient un contact possédant des propriétés de redressement.
Ajoutons :
une antenne,
une bobine,
un condensateur,
un écouteur
et nous obtenons un véritable poste à galène.
Le plus extraordinaire ?
Il n’a pas besoin d’alimentation.
L’énergie qui fait fonctionner l’écouteur provient essentiellement de l’onde radio captée par l’antenne.
Le signal reçu est minuscule, mais suffisant pour écouter une station puissante dans un casque sensible.
Notre poste ne se contente plus de constater qu’une onde existe.
Il commence réellement à écouter.
1906 : l’Audion permet d’amplifier
Le poste à galène possède cependant une limitation évidente.
Il ne peut pas créer d’énergie.
Si le signal reçu est extrêmement faible, le son dans l’écouteur le sera également.
En 1906, l’Américain Lee de Forest développe l’Audion, qui évoluera vers la lampe triode.
La présence d’une grille entre cathode et anode permet de contrôler un courant important avec un signal beaucoup plus faible.
Autrement dit :
nous pouvons amplifier.
Cette fois, l’énergie nécessaire ne vient plus uniquement de l’antenne.
Une alimentation fournit l’énergie et le faible signal radio commande cette énergie.
C’est une révolution.
Les stations lointaines deviennent progressivement accessibles.
1912-1914 : Armstrong découvre la réaction
Nous retrouvons maintenant un personnage déjà rencontré dans notre histoire de la FM :
Edwin Howard Armstrong.
Encore très jeune, Armstrong expérimente avec les lampes et découvre qu’une partie du signal amplifié peut être renvoyée vers l’entrée.
C’est la :
réaction positive.
Son brevet est déposé en 1913 et accordé en 1914.
À mesure que l’on augmente la réaction, deux choses progressent :
le gain
et
la sélectivité.
Juste avant l’oscillation, un récepteur très simple peut devenir étonnamment performant.
Mais il faut avoir la main légère.
Pas assez de réaction :
sensibilité médiocre.
Un peu plus :
excellente réception.
Encore un peu…
SIIIIIIIIIIII…
Le récepteur devient lui-même oscillateur !
Des générations de radioamateurs apprendront à régler leurs postes à réaction juste au bord de cette limite.
Amplifier directement la HF devient compliqué
Les premiers récepteurs amplifiés peuvent travailler directement sur la fréquence reçue.
Mais plus nous montons en fréquence, plus les choses se compliquent.
Chaque étage doit être correctement accordé.
Si plusieurs circuits amplifient la HF, ils doivent suivre ensemble lorsque l’opérateur tourne le bouton d’accord.
Il devient difficile d’obtenir simultanément :
beaucoup de gain,
une excellente stabilité
et
une forte sélectivité.
Une idée va alors bouleverser l’architecture du récepteur.
Pourquoi construire des amplificateurs capables de travailler sur toutes les fréquences…
si nous pouvions transformer toutes les stations reçues en une seule fréquence fixe ?
1918 : le superhétérodyne
Nous retrouvons encore Edwin Howard Armstrong.
Pendant la Première Guerre mondiale, Armstrong travaille en France pour l’US Army Signal Corps.
En 1918, il développe le principe du récepteur superhétérodyne, en s’appuyant sur le principe de mélange de fréquences déjà exploré auparavant, notamment par Reginald Fessenden. Des travaux proches sont également menés par Lucien Lévy en France et Walter Schottky en Allemagne.
Le principe est génial.
Prenons une station reçue sur :
7,100 MHz.
Dans le récepteur, un second signal est produit par :
l’oscillateur local.
Les deux fréquences entrent dans un :
mélangeur.
Celui-ci produit de nouvelles fréquences correspondant notamment à leur somme et à leur différence.
Nous choisissons l’une d’elles.
Par exemple :
455 kHz.
Cette fréquence devient la :
fréquence intermédiaire — FI.
Et c’est là que tout change.
De la galène au superhétérodyne : vingt ans d’innovations qui ont transformé la réception radio.
Pourquoi convertir la fréquence ?
Imaginons que nous changions de station.
Nous passons de :
7,100 MHz
à :
7,150 MHz.
L’oscillateur local change lui aussi.
Mais sa fréquence est choisie de manière que la différence reste toujours :
455 kHz.
Ainsi, quelle que soit la fréquence écoutée, les étages suivants du récepteur travaillent toujours à la même fréquence intermédiaire.
Nous pouvons donc construire des amplificateurs et surtout des filtres extrêmement performants optimisés pour cette seule fréquence.
L’architecture devient :
Antenne → RF → Mélangeur → FI → Détecteur → BF
Plus d’un siècle après son invention, ce principe reste fondamental dans de nombreux systèmes radio.
1924 : le superhétérodyne entre dans les postes
Les premiers superhétérodynes sont complexes et nécessitent de nombreuses lampes.
Ils sont donc coûteux.
Mais la technologie progresse rapidement.
Dès 1924, RCA commercialise des récepteurs utilisant cette architecture, notamment dans sa gamme Radiola.
Les performances sont remarquables pour l’époque.
Progressivement, les composants deviennent moins chers et les lampes plus performantes.
Au début des années 1930, le superhétérodyne commence à s’imposer comme l’architecture dominante des récepteurs radio.
Années 1930 : entendre faible ne suffit plus
Un bon récepteur doit posséder deux qualités souvent confondues :
La sensibilité
C’est sa capacité à recevoir un signal très faible.
La sélectivité
C’est sa capacité à séparer deux stations proches en fréquence.
Un poste peut être extrêmement sensible…
mais pratiquement inutilisable s’il reçoit simultanément plusieurs stations voisines.
Les étages FI permettent justement d’améliorer considérablement la sélectivité.
Le poste apprend donc une nouvelle compétence.
Il ne sait plus seulement :
entendre.
Il sait désormais :
choisir ce qu’il veut entendre.
Années 1940-1950 : l’âge d’or des récepteurs de trafic
Après la Seconde Guerre mondiale apparaissent quelques-uns des récepteurs qui feront rêver des générations de radioamateurs et d’écouteurs.
National, Hallicrafters, Hammarlund, Collins…
Le récepteur de trafic devient une imposante machine.
Sur sa façade :
un grand cadran,
plusieurs gammes d’ondes,
un réglage fin,
un contrôle RF,
un contrôle AF,
un BFO,
des filtres,
un S-mètre.
À l’intérieur :
des lampes… beaucoup de lampes !
Ces appareils offrent une stabilité, une sensibilité et une sélectivité inimaginables quelques décennies auparavant.
Pour le radioamateur, le récepteur devient véritablement le cœur du shack.
1947 : le transistor prépare la miniaturisation
En 1947, John Bardeen, Walter Brattain et William Shockley développent aux Bell Laboratories le premier transistor opérationnel.
Il va progressivement bouleverser toute l’électronique.
Comparé à la lampe, il est :
petit,
peu gourmand,
peu chauffant
et fonctionne avec de faibles tensions.
Durant les années 1950 puis surtout 1960, les transistors envahissent les récepteurs.
Le gros poste familial branché au secteur peut maintenant devenir :
un transistor portable.
La radio entre dans la poche.
Années 1960-1970 : FET et circuits intégrés
Les progrès continuent.
Les transistors à effet de champ — FET — trouvent leur place dans les étages radiofréquence.
Puis plusieurs fonctions électroniques peuvent être regroupées dans un même circuit intégré.
Mélangeur, amplificateur FI, AGC ou démodulateur nécessitent de moins en moins de composants séparés.
Le récepteur devient :
plus petit,
plus fiable,
plus stable
et souvent moins coûteux.
Pourtant, derrière cette électronique moderne se cache toujours l’idée née un demi-siècle auparavant :
le superhétérodyne.
Pourquoi changer deux fois de fréquence ?
Les récepteurs de communication deviennent de plus en plus performants.
Mais un problème apparaît.
Une fréquence intermédiaire élevée présente certains avantages, notamment vis-à-vis de la fréquence image.
Une FI basse facilite, elle, la réalisation de filtres très sélectifs.
Alors pourquoi choisir ?
Utilisons les deux !
Le récepteur à double conversion effectue deux changements successifs de fréquence.
Par exemple :
HF → 10,7 MHz → 455 kHz.
Certains équipements iront encore plus loin avec une triple conversion.
Le schéma devient plus complexe, mais les performances progressent.
Années 1970-1980 : fini de courir après la fréquence
Les anciens récepteurs possèdent un autre défaut familier aux amateurs de matériel vintage :
ils dérivent.
On allume le poste.
On règle une station.
Quelques minutes plus tard…
il faut parfois retoucher le VFO.
La stabilisation par quartz puis la généralisation des synthétiseurs PLL vont profondément améliorer la situation.
Le cadran mécanique commence également à céder la place à :
l’affichage numérique.
Nous ne sommes plus « quelque part autour de 7,1 MHz ».
Nous pouvons afficher précisément :
7,100.00 MHz.
Et surtout…
y rester.
Le poste vient d’apprendre à écouter exactement au bon endroit.
Années 1980-1990 : le DSP entre dans le récepteur
Une nouvelle révolution commence alors.
Pendant près d’un siècle, filtrer un signal nécessitait des composants physiques :
bobines,
condensateurs,
quartz,
céramiques
ou filtres mécaniques.
Mais que se passe-t-il si nous transformons le signal analogique en nombres ?
Un processeur peut alors effectuer mathématiquement une partie du travail.
C’est le :
DSP — Digital Signal Processing.
Le traitement numérique permet progressivement de réaliser :
filtrage,
notch automatique,
réduction de bruit,
AGC
et même démodulation.
Le filtre n’est plus nécessairement une boîte remplie de quartz.
Il peut devenir une équation.
Du cohéreur au SDR : plus de 130 ans d’innovations pour mieux recevoir, sélectionner et décoder les ondes.
Et si nous supprimions presque tout le récepteur ?
Une question devient alors inévitable.
Si un ordinateur peut :
filtrer,
démoduler,
mesurer
et analyser
un signal…
pourquoi construire tous ces circuits en matériel ?
L’idée du :
SDR — Software Defined Radio
prend progressivement forme.
Le principe consiste à confier au logiciel une part croissante des fonctions autrefois réalisées par l’électronique analogique.
Le matériel capte et numérise le signal.
Le logiciel décide ensuite de ce que nous voulons en faire.
2002 : le SDR entre dans le shack radioamateur
Au début des années 2000, les progrès des ordinateurs personnels et des cartes son rendent cette technologie beaucoup plus accessible.
En 2002, le radioamateur américain Gerald Youngblood AC5OG publie dans QEX le début de sa célèbre série :
« A Software-Defined Radio for the Masses »
Il montre qu’un ordinateur équipé d’une carte son peut assurer une partie considérable du traitement d’un récepteur.
L’idée séduit rapidement les expérimentateurs.
Le récepteur devient progressivement :
Antenne → conversion → numérisation → ordinateur.
Et derrière l’ordinateur…
du logiciel.
Le waterfall : désormais nous voyons les stations
Le SDR apporte également une transformation spectaculaire dans notre manière d’utiliser la radio.
Pendant plus d’un siècle, rechercher une station signifiait :
tourner le bouton et écouter.
Avec le SDR, une large portion du spectre apparaît directement sur l’écran.
Une station CW forme une fine trace.
Une émission BLU dessine une structure caractéristique.
Un signal numérique apparaît ailleurs.
L’opérateur voit plusieurs dizaines ou centaines de kilohertz simultanément.
Une émission apparaît ?
On clique dessus.
Le récepteur se cale immédiatement sur sa fréquence.
Pour la première fois dans l’histoire de la réception grand public et amateur :
nous pouvons regarder les ondes avant de les écouter.
Aujourd’hui : l’ADC se rapproche de l’antenne
Les convertisseurs analogique-numérique — ADC — deviennent toujours plus rapides et performants.
Dans certaines architectures modernes, le signal peut être numérisé très tôt dans la chaîne de réception, parfois directement après les filtres et l’amplification nécessaires.
Nous pouvons alors obtenir :
Antenne → Filtre → ADC → FPGA/DSP → logiciel.
Une partie considérable de l’ancien superhétérodyne disparaît.
Plus de longues chaînes de FI analogiques.
Plus nécessairement de filtres mécaniques.
Plus besoin d’un circuit différent pour chaque fonction.
Quelques lignes de logiciel peuvent modifier complètement le comportement du récepteur.
Mais attention…
Les lois de la radio n’ont pas changé
Le SDR est extraordinaire.
Mais il n’est pas magique.
Un convertisseur peut saturer.
Un signal puissant peut masquer un signal faible.
Un mauvais filtre d’entrée peut laisser entrer des émissions indésirables.
Le bruit reste du bruit.
L’intermodulation existe toujours.
La dynamique reste essentielle.
Nous retrouvons finalement les mêmes problèmes que nos prédécesseurs.
Sensibilité.
Sélectivité.
Stabilité.
Dynamique.
Les solutions ont changé.
Pas les lois de la radio.
Trois récepteurs, un même objectif
Regardons maintenant le chemin parcouru.
Galène, superhétérodyne ou SDR : trois technologies séparées par un siècle, mais toujours le même objectif, extraire un signal des ondes.
Vers 1910 : le poste à galène
Antenne
↓
Circuit accordé LC
↓
Cristal de galène
↓
Écouteur
Quelques composants.
Aucune alimentation.
Vers 1950 : le superhétérodyne
Antenne
↓
Amplificateur RF
↓
Mélangeur + oscillateur local
↓
Fréquence intermédiaire
↓
Détecteur
↓
Amplificateur BF
↓
Haut-parleur
Des dizaines de composants et plusieurs lampes.
Aujourd’hui : le SDR
Antenne
↓
Filtres
↓
ADC
↓
FPGA / DSP
↓
Logiciel
↓
Audio + waterfall
Trois technologies radicalement différentes.
Et pourtant, elles poursuivent exactement le même objectif :
retrouver une information minuscule cachée parmi toutes les ondes qui nous entourent.
Quelques dates à retenir
1890 — Édouard Branly expérimente son radioconducteur, ancêtre du cohéreur utilisé dans les premières radiocommunications.
Vers 1900-1910 — Les détecteurs à cristal se généralisent et donnent naissance aux fameux postes à galène.
1906 — Lee de Forest développe l’Audion, qui ouvre la voie à l’amplification électronique par lampe.
1913 — Edwin Howard Armstrong dépose son brevet sur le récepteur à réaction.
1914 — Le brevet américain d’Armstrong sur la réaction est accordé.
1918 — Armstrong développe le superhétérodyne pendant son séjour en France ; Lucien Lévy et d’autres inventeurs participent également à cette histoire complexe.
1924 — Les premiers superhétérodynes commerciaux commencent à apparaître chez RCA.
Années 1930 — Le superhétérodyne devient progressivement l’architecture dominante.
1947 — Invention du transistor aux Bell Laboratories.
Années 1960 — Le transistor transforme profondément les récepteurs portables et de communication.
Années 1970-1980 — PLL, synthèse de fréquence et affichages numériques se généralisent.
Années 1980-1990 — Le traitement numérique DSP commence à entrer dans les récepteurs.
2002 — Gerald Youngblood AC5OG publie A Software-Defined Radio for the Masses et contribue à populariser le SDR auprès des radioamateurs.
Années 2000-2010 — Waterfalls et récepteurs SDR deviennent progressivement accessibles au grand public radioamateur.
Aujourd’hui — ADC rapides, FPGA et DSP permettent de déplacer toujours davantage le traitement du signal de l’électronique vers le logiciel.
Quand les postes apprirent à écouter
Revenons une dernière fois à notre premier récepteur.
À la fin du XIXe siècle, une onde arrive.
Un cohéreur réagit.
Quelque chose est passé.
Quelques années plus tard, une pointe métallique touche un morceau de galène.
Dans l’écouteur apparaît une voix lointaine.
Puis la lampe amplifie.
La réaction améliore la sensibilité.
Le superhétérodyne sélectionne.
Le transistor miniaturise.
Le PLL stabilise.
Le DSP calcule.
Le SDR numérise.
Et le waterfall nous montre désormais des centaines de signaux que nos prédécesseurs auraient recherchés un par un en tournant lentement leur cadran.
Plus d’un siècle sépare la limaille du cohéreur des millions d’opérations effectuées chaque seconde par un FPGA moderne.
Pourtant, derrière toute cette technologie, la question reste exactement la même :
« Y a-t-il quelqu’un là-bas ? »
Et depuis plus de cent ans, génération après génération…
les postes apprennent à mieux écouter.
