La détection I/Q est aujourd’hui au cœur de nombreux récepteurs SDR. Elle permet à nos logiciels d’afficher un spectre, de distinguer ce qui se trouve de part et d’autre d’une fréquence et de démoduler une multitude de signaux.
Pourtant, derrière les mystérieuses lettres I et Q se cache une idée finalement assez simple.
Au lieu d’observer un signal radio d’une seule manière, nous allons l’observer : de deux façons complémentaires.
Deux regards sur le même signal.
Décalés d’un quart de cycle.
Autrement dit : de 90°.
Et cette idée, née bien avant le SDR, va progressivement transformer notre manière d’écouter la radio.
Au commencement, la radio voulait surtout entendre
Revenons aux premiers récepteurs.
Pour recevoir de l’AM, les pionniers disposent d’une solution relativement simple : récupérer les variations d’amplitude de l’onde radio.
Le détecteur d’enveloppe remplit parfaitement cette mission.
Le signal augmente ? La sortie augmente.
Le signal diminue ? La sortie diminue.
Pour écouter une émission AM, cela fonctionne remarquablement bien.
Mais une onde radio contient davantage d’informations que sa seule amplitude.
Elle possède également quelque chose de moins immédiatement visible : sa phase.
Pendant longtemps, beaucoup de récepteurs n’ont tout simplement pas besoin de conserver précisément cette information.
Puis les techniques de modulation deviennent plus sophistiquées.
Et la phase va devenir de plus en plus intéressante.
1918 : Armstrong change déjà notre manière de recevoir
En 1918, Edwin Howard Armstrong développe le principe du récepteur : superhétérodyne.
Son idée est révolutionnaire.
Au lieu d’essayer de traiter directement chaque fréquence reçue, le récepteur la mélange avec un signal produit localement afin de la déplacer vers une fréquence intermédiaire plus pratique à amplifier et à filtrer.
Le principe deviendra tellement efficace qu’il dominera la conception des récepteurs pendant des décennies.
Mais le mélange de fréquences fait également apparaître un problème bien connu des concepteurs : la fréquence image.
Deux fréquences différentes peuvent, dans certaines conditions, conduire au même résultat après mélange.
Le récepteur doit donc apprendre à sélectionner correctement ce qu’il veut entendre.
Filtres et architectures de conversion vont longtemps résoudre ce problème.
Bien plus tard, la quadrature apportera une autre manière de distinguer des signaux qui paraissaient auparavant ambigus.
Puis la BLU compliqua les choses
Avec la BLU — bande latérale unique, les ingénieurs veulent transmettre plus efficacement la parole.
En AM traditionnelle, nous trouvons : **une porteuse, **une bande latérale supérieure
et : une bande latérale inférieure.
Or les deux bandes latérales contiennent essentiellement la même information.
Pourquoi transmettre les deux ?
La BLU consiste notamment à n’en conserver qu’une.
Mais comment fabriquer proprement : USB ou : LSB ?
Une solution consiste à utiliser des filtres.
Une autre va particulièrement nous intéresser : jouer sur la phase.
Quand 90° commencèrent à devenir très utiles
Les ingénieurs développent des systèmes BLU dits : par déphasage.
Le principe peut être compris sans aucune formule.
Prenons deux copies d’un même signal.
Nous retardons l’une par rapport à l’autre d’exactement : un quart de cycle.
Puis nous effectuons différentes combinaisons.
Selon la manière dont ces deux voies sont réunies, certaines composantes :
**s’ajoutent, **alors que d’autres : s’annulent.
Nous pouvons ainsi favoriser une bande latérale et supprimer l’autre.
Voilà notre première rencontre importante avec une idée qui deviendra fondamentale : deux voies en quadrature.
Nous n’utilisons pas encore nécessairement les termes I et Q comme aujourd’hui.
Mais le principe est déjà là.
Imaginez deux photographes
Pour comprendre la quadrature, oublions quelques instants la radio.
Imaginez un objet photographié par : un seul photographe.
La photo fournit beaucoup d’informations.
Mais certaines choses restent difficiles à déterminer.
Ajoutons maintenant : un deuxième photographe placé différemment.
Les deux images décrivent exactement le même objet.
Pourtant, elles ne contiennent pas exactement la même information.
En les utilisant ensemble, nous pouvons mieux comprendre ce que nous observons.
La détection I/Q repose sur une idée comparable.
Un même signal est observé suivant deux références différentes.
La première est appelée : I — In-phase.
La seconde : Q — Quadrature.
Et Q est décalée de : 90°.
I et Q ne sont donc pas deux stations différentes.
Ce ne sont pas non plus deux fréquences différentes.
Ce sont : **deux regards complémentaires sur le même signal. **
I et Q offrent deux regards complémentaires, décalés de 90°, sur un même signal radio.
Pourquoi « quadrature » ?
Le mot peut sembler particulièrement savant.
En réalité, il décrit simplement cette relation de : 90°.
On peut l’imaginer avec les aiguilles d’une horloge.
Si l’aiguille correspondant à I pointe vers : 12 heures, celle correspondant à Q pourrait pointer vers : 3 heures.
Elles sont séparées d’un quart de tour.
Voilà la quadrature.
Et ce petit quart de tour va devenir extraordinairement puissant.
1956 : Donald Weaver propose une troisième voie
Arrivons maintenant à une étape historique importante.
En 1956, l’ingénieur américain : **Donald K. Weaver Jr. **publie dans les Proceedings of the IRE un article intitulé : « A Third Method of Generation and Detection of Single-Sideband Signals ».
À cette époque, deux grandes méthodes sont déjà utilisées pour produire la BLU : le filtrage et : le déphasage.
Weaver en propose une troisième.
Son système utilise notamment deux voies et des signaux en quadrature afin de générer ou détecter la bande latérale souhaitée sans exiger certains des réseaux de déphasage large bande ou filtres très sélectifs des autres méthodes.
Nous n’allons évidemment pas démonter mathématiquement le système de Weaver.
Ce qui nous intéresse dans notre histoire est ailleurs : la quadrature devient un outil extrêmement efficace pour choisir ce que le récepteur veut conserver.
Et l’idée ne va plus disparaître.
La quadrature quitte progressivement la seule BLU.
Les télécommunications évoluent.
La radio ne transporte plus seulement : de la voix analogique.
Elle transporte progressivement : des données.
Et les ingénieurs découvrent qu’ils peuvent exploiter simultanément plusieurs caractéristiques du signal pour transporter davantage d’informations.
La quadrature devient alors particulièrement intéressante.
Apparaissent ou se généralisent des termes comme : QPSK et : QAM.
Pas besoin ici d’étudier leurs constellations ou leurs formules.
Retenons simplement ceci : la phase est devenue une information que l’on sait exploiter.
La radio ne regarde plus seulement si le signal devient plus fort ou plus faible.
Elle observe également : comment il évolue dans le temps par rapport à une référence.
I et Q trouvent alors naturellement leur place.
Un mélangeur devient deux mélangeurs
Dans un récepteur traditionnel, un mélangeur compare le signal reçu avec celui d’un oscillateur local afin de changer sa fréquence.
Pour réaliser une détection I/Q, nous pouvons utiliser : deux voies.
La première reçoit une référence locale.
La seconde reçoit une référence semblable mais décalée de : 90°.
Nous obtenons alors deux sorties : I et : Q.
Et le récepteur possède maintenant deux descriptions complémentaires du même signal.
Cela lui permet notamment de mieux savoir ce qui se passe : de chaque côté de sa fréquence centrale.
Voilà quelque chose qui deviendra extraordinairement important pour le SDR.
Pourquoi une seule voie ne suffit-elle pas toujours ?
Imaginons que votre récepteur soit accordé exactement sur : 7,100 MHz.
Un signal apparaît légèrement plus haut : 7,101 MHz.
Un autre pourrait apparaître légèrement plus bas : 7,099 MHz.
Après une conversion simple vers une fréquence très basse, ces deux situations peuvent devenir difficiles à distinguer si nous avons perdu certaines informations sur leur relation de phase.
Avec I et Q, le système conserve suffisamment d’informations pour savoir : de quel côté de la fréquence centrale se trouvait le signal.
Nous pouvons alors distinguer : **gauche et droite, ****fréquence supérieure et fréquence inférieure, **et par extension traiter beaucoup plus facilement : USB et LSB.
C’est comme si notre récepteur venait soudain d’acquérir : une deuxième dimension.
De la BLU au SDR moderne : près d’un siècle d’évolution vers la détection I/Q numérique.
De l’analogique au numérique
Pendant longtemps, ces opérations sont réalisées avec : **mélangeurs, **déphaseurs,
**filtres, **condensateurs, **résistances ** et autres circuits analogiques.
Mais l’électronique numérique progresse rapidement.
Les convertisseurs analogique-numérique deviennent : **plus rapides, **plus précis et : plus accessibles.
Un ordinateur ou un processeur spécialisé peut désormais recevoir les informations issues des voies I et Q.
Et quelque chose de fondamental se produit.
Ce que nous faisions auparavant avec une multitude de composants peut maintenant être réalisé : par calcul numérique.
Un filtre peut devenir un algorithme.
Un démodulateur peut devenir un programme.
Une largeur de bande peut être modifiée à l’écran.
La frontière entre : récepteur et : **ordinateur ** commence à disparaître.
1998 : Daniel Tayloe et un détecteur particulièrement malin
À la fin des années 1990 apparaît un circuit qui aura une influence importante dans les SDR radioamateurs.
Son inventeur est : Daniel Richard Tayloe.
Le 15 octobre 1998, il dépose pour Motorola un brevet concernant un détecteur de produit reposant sur une commutation particulière du signal.
Le principe deviendra connu sous le nom : Tayloe Product Detector
et, dans le monde SDR : Quadrature Sampling Detector — QSD.
Plutôt que d’utiliser simplement deux mélangeurs classiques, le système prélève successivement différentes portions du signal à l’aide d’une commutation synchronisée.
On peut l’imaginer comme : un commutateur extrêmement rapide qui tourne autour de quatre positions.
**0°, **90°, **180°, **270°
À la sortie, les informations peuvent être regroupées pour produire : I et Q.
Pas besoin de mathématiques pour comprendre pourquoi cette architecture plaît aux expérimentateurs.
Elle permet de réaliser une détection en quadrature avec : **peu de composants, **de bonnes performances et : un coût relativement faible.
Le brevet décrit notamment son application à un récepteur à conversion directe et à la sélection entre les images correspondant aux bandes latérales supérieure et inférieure.
La porte est grande ouverte aux expérimentateurs.
Le PC possède déjà deux convertisseurs !
Arrive maintenant une astuce particulièrement intéressante.
Au début des années 2000, presque tous les ordinateurs possèdent : une carte son stéréo.
Et « stéréo » signifie justement : deux entrées.
Que se passerait-il si nous envoyions : I sur le canal gauche et : Q sur le canal droit ?
La carte son peut numériser les deux signaux.
L’ordinateur peut ensuite effectuer par logiciel : **le filtrage, ****la démodulation, **la sélection USB/LSB et : l’affichage du spectre.
Nous n’avons plus besoin de construire tout le récepteur en matériel.
Une partie importante vient de déménager : dans le PC.
SoftRock : le SDR arrive sur l’établi des radioamateurs
C’est ici que notre histoire rejoint directement les radioamateurs.
Au milieu des années 2000, Tony Parks KB9YIG — avec notamment Bill Tracey KD5TFD dans les premiers développements — popularise une série de petits récepteurs : SoftRock.
Le principe est formidablement séduisant.
La petite carte électronique effectue essentiellement la partie radio nécessaire pour fournir : I et : Q.
Puis la carte son de l’ordinateur numérise les deux voies.
Enfin, un logiciel réalise une grande partie du travail traditionnellement confié au matériel.
L’ARRL décrivait déjà en 2006 SoftRock comme une véritable révolution ayant permis de faire découvrir le SDR à un public beaucoup plus large, avec des kits vendus à quelques dizaines de dollars.
Pour beaucoup de radioamateurs : le SDR venait d’entrer dans le shack.
Et soudain, nous voyons toute une portion de bande
Avec ces récepteurs, quelque chose change profondément dans notre manière de trafiquer.
Autrefois, nous tournions le VFO.
Nous entendions : du souffle…
puis : une station.
Avec le SDR, nous pouvons regarder : toute une portion du spectre.
Les stations apparaissent sur un : waterfall.
Un signal est visible à gauche.
Un autre à droite.
Nous cliquons dessus.
Changeons de mode.
Nous réduisons la largeur du filtre.
Nous passons de : USB à LSB.
Tout cela devient largement logiciel.
Et derrière cette représentation se trouvent toujours nos deux vieilles connaissances : I et Q.
Avec I et Q, le SDR distingue les signaux de part et d’autre de la fréquence centrale et permet de visualiser toute une portion de bande.
Pourquoi le waterfall a-t-il besoin de cette histoire ?
Le waterfall n’est évidemment pas créé uniquement parce qu’il existe deux voies I/Q.
Mais les données I/Q constituent une représentation particulièrement pratique pour le traitement numérique du signal.
Elles permettent au logiciel de conserver les informations nécessaires pour analyser ce qui se trouve : au-dessus et : **au-dessous ** de la fréquence de référence.
Le logiciel peut ensuite transformer ces informations en : **spectre, **waterfall, **audio ou : données numériques.
Le signal radio devient une matière que le programme peut manipuler.
Puis les convertisseurs remontent vers l’antenne
Les premiers SDR amateurs utilisant une carte son restent encore très hybrides.
La radio produit I et Q en analogique.
La carte son les numérise.
Puis le PC travaille.
Mais les convertisseurs numériques deviennent toujours plus rapides.
Progressivement, ils peuvent être placés : de plus en plus près de l’antenne.
Dans certaines architectures modernes, une large portion du spectre est numérisée directement.
Les voies I/Q peuvent ensuite être créées et traitées : numériquement.
Autrement dit, I et Q ne correspondent plus nécessairement à deux fils physiques que l’on peut suivre avec un oscilloscope.
Ils peuvent exister : sous forme de données dans un processeur.
Le principe reste pourtant le même.
Deux informations complémentaires permettent de décrire beaucoup plus complètement ce que reçoit la radio.
RTL-SDR : des millions de personnes découvrent I et Q
Puis survient une histoire assez extraordinaire.
Des clés USB conçues à l’origine pour recevoir : **la télévision numérique terrestre **se révèlent capables de fournir directement leurs données de réception à un ordinateur.
Le : **RTL-SDR ** devient l’une des portes d’entrée les moins coûteuses vers le SDR.
Pour quelques dizaines d’euros, il devient possible de recevoir : **FM, **VHF, **UHF, **satellites, **ADS-B, **signaux numériques ** et bien davantage.
Les logiciels reçoivent un flot de données : I/Q.
Beaucoup d’utilisateurs découvrent alors ces deux lettres sans forcément savoir qu’elles racontent plusieurs décennies d’histoire de la radio.
Et dans nos transceivers modernes ?
Aujourd’hui, le SDR n’est plus réservé à une petite carte branchée sur un ordinateur.
De nombreux transceivers modernes utilisent des architectures faisant largement appel : **à la conversion numérique, **au DSP et : au traitement I/Q.
Le bouton de filtre que nous tournions autrefois agit maintenant parfois sur : un traitement numérique.
Le changement USB/LSB peut être effectué par logiciel.
La réduction de bruit devient un algorithme.
Le spectre apparaît en temps réel.
Le waterfall défile.
Le récepteur peut enregistrer une largeur importante de bande pour permettre de revenir plus tard sur un signal.
Le shack moderne ressemble parfois davantage : à un laboratoire informatique qu’au récepteur analogique de nos grands-pères.
Et pourtant, l’idée de quadrature reste au cœur de nombreuses architectures.
I/Q permet également d’émettre
Jusqu’ici, nous avons surtout parlé de réception.
Mais le chemin peut fonctionner dans l’autre sens.
Un logiciel peut produire les informations : I et : **Q **correspondant au signal que nous voulons transmettre.
Un modulateur les combine ensuite pour produire le signal RF.
Cette technique permet de générer : **SSB , **AM , **FM , **modes numériques, **QPSK, **QAM et bien d’autres formes de modulation.
Le même principe qui aide notre radio à comprendre ce qu’elle reçoit peut donc aussi l’aider : à fabriquer ce qu’elle émet.
Pourquoi deux voies ?
Nous pouvons maintenant répondre à la question posée au début.
Pourquoi créer deux signaux lorsque l’on pourrait croire qu’un seul suffit ?
Parce qu’une seule observation ne conserve pas toujours toutes les informations dont nous avons besoin.
Avec deux voies en quadrature, nous pouvons notamment mieux préserver : **l’amplitude **, **la phase ** et la distinction entre : les deux côtés d’une fréquence de référence.
Cela facilite : **la séparation USB/LSB **, **la suppression d’images, **la démodulation, **la modulation ** et : l’analyse numérique du spectre.
Voilà pourquoi I et Q sont devenus si importants.
Quelques dates à retenir
1918 — Edwin Howard Armstrong développe le principe du récepteur superhétérodyne.
Années 1930-1950 — Les techniques de BLU progressent et les méthodes utilisant le déphasage prennent de l’importance.
1956 — Donald K. Weaver Jr. publie A Third Method of Generation and Detection of Single-Sideband Signals, utilisant deux voies et des signaux en quadrature.
Années 1960-1980 — La quadrature prend une place croissante dans les télécommunications analogiques puis numériques.
Années 1980-1990 — Le DSP permet progressivement de déplacer vers le numérique des fonctions autrefois réalisées par des circuits analogiques.
15 octobre 1998 — Daniel R. Tayloe dépose son brevet pour le détecteur qui portera son nom.
Début des années 2000 — Les architectures SDR deviennent de plus en plus accessibles aux expérimentateurs.
Milieu des années 2000 — Les kits SoftRock démocratisent spectaculairement le SDR I/Q chez les radioamateurs.
Années 2010 — RTL-SDR et d’autres récepteurs bon marché font découvrir le SDR à un public immense.
Aujourd’hui — Le traitement I/Q est omniprésent dans les SDR, les télécommunications numériques et de nombreux transceivers modernes.
Quand la radio apprit à voir en quadrature !
Revenons finalement à notre vieux récepteur AM.
Il écoutait essentiellement : les variations d’amplitude.
Puis les ingénieurs voulurent supprimer une bande latérale.
Ils commencèrent à jouer avec : la phase.
Ils découvrirent tout l’intérêt de deux signaux séparés par : un quart de cycle.
Puis ces deux regards reçurent des noms que nous retrouvons aujourd’hui partout : I et Q.
Les circuits analogiques apprirent à les produire.
Les télécommunications numériques apprirent à les exploiter.
Les cartes son apprirent à les numériser.
Les ordinateurs apprirent à les traiter.
Et finalement… le SDR apprit à nous les montrer.
Aujourd’hui, nous ouvrons un logiciel.
Un waterfall apparaît.
Nous voyons une station à gauche.
Une autre à droite.
Nous cliquons sur l’une d’elles.
Choisissons l’USB.
Nous déplaçons les bords du filtre avec la souris.
Tout cela nous paraît parfaitement naturel.
Mais derrière cette simplicité se cache une idée vieille de plusieurs générations : regarder le même signal de deux façons différentes.
L’une s’appelle : I.
L’autre : Q.
Elles sont séparées d’un quart de tour.
Et ce jour-là… la radio apprit à voir en quadrature !
