Ajustement d'un émetteur FM à partir d'une source audionumérique

 

Vue d'ensemble


Cet article propose une procédure pour ajuster les niveaux audio d'un émetteur FM destiné à relayer un contenu provenant d'une source audionumérique. Cet article est inspiré de l'article de Owen Duffy. Owen modifie à l’occasion ses articles, je vous invite donc à les consulter son site web pour toute mise à jour.

 

Signal audionumérique

Nous présenterons ici le niveau sonore d’un fichier audionumérique en décibels par rapport à la valeur d'échantillonnage maximum de celui-ci.
Par exemple, un échantillon audio PCM de 16 bits, 32KHz, voit sa plus grande valeur correspondre à 32.768 et sa plus petite valeur, différente de zéro, correspondre à 1. La règle veut que la valeur d'échantillonnage maximum de 32.768 soit le niveau de référence (0dB ou 0dBFS) où 1 est égale à 20*log (1/32768) ou -90.3 dB.

Donc, en pratique, il suffit d'enregistrer ses fichiers source dans un format .wav mono d’au moins 16bit à 32KHz pour fournir une qualité raisonnable. Les fichiers sources devraient être enregistrés sans écrêtage et sans que les niveaux audio maximaux dépassent 0dB.

Lors de la transmission d’un contenu audionumérique un compromis entre la qualité audio et l'intelligibilité de celle-ci, sous un rapport signal bruit faible, doit être pris en considération.

Les émetteurs-récepteurs FM régulièrement employés par les radioamateurs sont conçus spécifiquement pour la voix. Ils sont habituellement pourvus d’un limiteur audio et d’un circuit de préaccentuation en avant du modulateur pour effectuer des transmissions FM avec une préaccentuation de 6dB/octave par rapport à la bande passante de la voix. La préaccentuation favorise l’intelligibilité du signal lorsque le rapport signal/bruit devient faible.Puisque la préaccentuation est précisément ajoutée après le limiteur, ce dernier ne nivelle pas la déviation, mais limite plutôt l'entrée du circuit de préaccentuation. Le limiteur est avant tout placé pour limiter la déviation maximale à environ 5 kHz.

 

L'analyse de plusieurs segments de fichiers d’annonce destinés aux radioamateurs indiquerait que la valeur RMS se situerait entre -15 dB et -20 dB. Il semblerait donc qu’un bon niveau d’enregistrement RMS serait d’environ -18 dB.

Il semblerait qu’un compromis raisonnable entre relever le niveau moyen du volume pour les auditeurs mobiles et la qualité acceptable pour les auditeurs en station fixe serait d’augmenter l'entrée audio jusqu'à des crêtes de 6dB environ. Cette variation suffirait normalement à causer une déviation de 10kHz (si ce n’était du limiteur) avec une tonalité de 1kHz et 0dB. Concrètement, cette manipulation a pour effet de relever le niveau RMS à environ -12 dB.

 

Interface audio d'émetteur

Le signal audio à diffuser doit être injecté à travers une entrée audio pourvue d’un circuit de préaccentuation normale de la voix, par exemple, le port du microphone ou le port 1200Bd Paquet (généralement situé sur un connecteur mini6DIN à l’arrière de la plupart des nouveaux radios).

N'employez pas une entrée audio prévue pour le paquet à grande vitesse (9600Bd par exemple) car cette entrée n’est pas pourvue d'un circuit de préaccentuation, ni d’un limiteur d’ailleurs. La sortie de ligne d'une carte de son est susceptible d'être de l’ordre d’environ 100 mV, alors que l'entrée microphonique d’un radio risque d'être plus près de 10mV.

Il est donc important d’utiliser un atténuateur variable respectant l’impédance et la bande passante audible. De plus, l'interface devrait idéalement offrir une isolation galvanique entre le radio et la source audio.

 

 

Ajustement du niveau audio en transmission

 

Moniteur d’excursion FM

Si l'opérateur a accès à un moniteur d’excursion FM, il peut aligner la déviation de la radio en appliquant une tonalité d'essai connue au-dessous du seuil d’attaque du limiteur. Par la suite, il pourra ajuster les niveaux audio par rapport à la déviation appropriée mesurée à même le moniteur. Par exemple, une tonalité d'essai de 1kHz à -20dB, sous le 6dB d’écrêtage, devrait engendrer une déviation maximale de 5*10 ** ((- 20+6)/20) kilohertz, ou 1kHz.



Fonction de Bessel

La plupart des radioamateurs n'auront pas accès à un moniteur d’excursion FM (deviation meter). Une approche alternative consiste à ajuster la modulation en observant le premier trou ou vallon (Carrier Nulls) associés aux fonctions de Bessel. Cette méthode est plus facile à exécuter qu'elle ne l'est à décrire, ainsi, ne soyez pas découragé par la description. Il y a une démonstration sur la technique à employer plus loin dans cet article.

Cette méthode exploite une caractéristique de la distribution spectrale de l'énergie dans une onde FM. À mesure que l’amplitude d’une porteuse FM est modulée par une onde sinusoïdale (par exemple par un signal de 1kHz) la puissance dans la porteuse (qui peut être observé avec un récepteur SSB) diminuera à zéro et puis augmentera de nouveau à mesure que l’index de modulation augmentera. Au moment où le premier trou (Nulls) survient, l'index de modulation est égal à 2.4. Ainsi, avec un signal modulant de 1kHz, l’indice de modulation correspond à une déviation crête de 2.4kHz.

Cette fonction s’exprime de la façon suivante :

 

Trous (Null) Indice de Modulation β
1 2.40
2 5.52
3 8.65
4 11.79
5 14.93
6 18.07

 

 

 

 

 

 

 

Cette même formule peut également être renversée de la sorte :

 

L’avantage du renversement est qu’il nous est maintenant possible d’ajuster la modulation d’un équipement FM selon nos besoins. Par exemple, nous désirons ajuster la déviation d’un émetteur à 5KHz, en appliquant la formule (5/2.4=2.083) nous trouvons qu’il faut un signal de 2.083KHz pour le premier trou (Nulls) d’une déviation de 5KHz ou qu’il nous faut une fréquence de 905.79Hz (5/5.52=0.90579) sur le deuxième trou (Nulls) pour arriver au même résultat.

Un générateur de fréquence couplé à un compteur de fréquence vous donnera des résultats précis. Si vous ne disposer pas de tels équipements vous prouver utiliser la carte de son de votre PC pour exécuter cette tâche. Il existe plusieurs programmes de compteur et de générateur de fréquence qui devraient vous donner des résultats relativement précis selon la qualité de votre carte de son. Plusieurs programmes gratuits sont disponibles sur le web.

Donc pour résumer, si une tonalité d'essai de 1kHz, à un niveau qui devrait avoir pour conséquence une déviation de 2.4kHz est injectée d’une source sonore connue, alors la modulation peut être ajusté de zéro jusqu’au point où l’on observe le premier trou (Nulls). Ainsi, sous le 6dB d’écrêtage, le niveau de la tonalité d'essai pour le premier trou (Nulls) est 20*log (2.4/5) - 6dB ou -12.4dB.



*Procédure d'ajustement*

Voici la procédure d’ajustement du niveau audio d’un transmetteur FM en utilisant un récepteur SSB pour détecter le premier trou (Nulls).

1. Ajustez la tonalité d'essai sinusoïdale de 1kHz à -12.4 dB sur la source audio;

 

2. Ajustez le niveau de modulation à zéro et enclenchez l’émetteur en transmission dans une charge fictive;

 
3. Couplez une partie de l’énergie de la porteuse FM au récepteur SSB (une antenne à proximité de la charge fictive sera suffisante) et accordez le récepteur SSB (en mode USB) de façon à percevoir une note de battement d'environ 800 hertz;  
4. Utilisez le programme de votre choix muni d’un mode ‘’Waterfall’’ (ham radio delux par exemple) pour ajuster la tonalité a 800 Hz;
5. Augmentez lentement et sans coup brusque la modulation appliquée au radio FM jusqu'à ce que vous entendiez et voyez le battement de 800Hz disparaître. Notez que vous entendrez également une ou plusieurs bandes latérales quand la modulation est appliquée, ignorez ces derniers et concentrez-vous seulement sur la tonalité à 800 Hz.  

Démonstration d'une porteuse FM sans modulation (0 KHz )

Démonstration d'une porteuse FM modulée par un signal de 1KHz avec 1.4 kHz de déviation.

Démonstration d'une porteuse FM modulée par un signal de 1KHz avec 2.4 kHz de déviation. On peut voir très clairement que le premier trou (Carrier Nulls) est atteins et que la porteuse FM est donc nulle.

 

L'index de modulation est maintenant à 2.4 donc la déviation est de 2.4kHz. Les niveaux audio en crête essaieront de conduire l'émetteur à moduler une déviation de 10kHz, mais celle-ci sera limitée par le limiteur interne du radio.

La technique est très sensible, faites attention de ne pas passer directement au-dessus du premier trou. Le limiteur interne du radio peut (devrait) empêcher l’observation du deuxième trou (Carrier Nulls) situé à 5.5KHz. Cette technique est non seulement très sensible, mais elle est également très précise lorsque la fréquence de la tonalité d'essais est précise (comme à partir du fichier numériquement synthétisé d'essai fourni ci-dessous).

Le récepteur d'essai peut-être un récepteur de communications de qualité ou un balayeur de fréquence muni d’un mode BFO ou de LSB/USB. Vous pourriez prélever le signal modulé à la fréquence porteuse ou en reniflant une portion de signal de fréquence intermédiaire d'un récepteur superhétérodyne.

Note : Ce procédé dépend d'un signal de modulation sinusoïdale simple, toute tonalité de transmission CTCSS doit être désactivée temporairement pour exécuter l’alignement. Si vous employez un CTCSS sur le canal d'émission, vous pourriez faire l’ajustement sur un autre canal dépourvu d’un CTCSS sur la même bande. Vous aurez également besoin d’un ajustement linéaire du niveau audio (par exemple un potentiomètre), ainsi n'essayez pas d'employer les commandes logiciel du niveau sonore qui agissent tel un escalier et vous feront passer par-dessus votre indice de modulation recherché.

 

IRLP

Incapable de trouver une norme claire pour l'installation d'un noeud IRLP autre que le fichier d’exemple audiotest.wav, celui-ci a été analysé pour déterminer les niveaux crête et la moyenne RMS dans le but de trouver des indices de standardisation. Le niveau crête était de -1 dB et le niveau moyen RMS était de -18 dB. Ces données sont suffisamment semblables au contenu discuté plus haut, donc la même procédure d’ajustement peut-être appliquée (tonalité à -12.4 dB 1kHz pour une causer déviation de 2.4kHz qui coïncide avec le premier trou (Nulls) discuté ci-haut).

 

Echolink

Incapable de trouver une norme claire pour l'installation d'un noeud d'Echolink autre que le message ECHOTEST, celui-ci a été analysé pour déterminer les niveaux crête et la moyenne RMS dans le but de trouver des indices de standardisation. Le niveau crête était de -3 dB et le niveau moyen RMS était de -18 dB. Ces données sont suffisamment semblables au contenu discuté plus haut, donc la même procédure d’ajustement peut-être appliquée (tonalité à -12.4 dB 1kHz pour causer une déviation de 2.4kHz qui coïncide avec le premier trou (Nulls) discuté ci-haut).

Echolink a sa propre source interne de tonalité d'essai qui peut être employée pour son ajustement. Pour ajuster correctement les niveaux audio et la modulation d’un noeud Echolink utilisez les menus d'Echolink pour envoyer une tonalité d'essai de 1kHz à -12 dB à l'émetteur. Ajustez la déviation à 2.4kHz en utilisant un moniteur d’excursion FM ou le premier trou (Nulls) discuté ci-haut.

 

 

Fichiers d’essais

Un fichier d'essais numériquement synthétisé est une alternative à l’emploi d’un PC et d’un programme de générateur de fréquence lors de l’ajustement d’un transmetteur FM. Il devrait être joué par la même source audionumérique qui sera ultimement utilisée pour diffuser l’information. Le fichier de tonalité d'essai contient ce qui suit :

 

  • Une onde sinusoïdale de 1kHz a -12.4 dB pour l'ajustement du niveau de transmission en utilisant le premier trou (Nulls) sur la porteuse FM (Fonction de Bessel) ;
  • Une onde sinusoïdale de 500Hz, 1kHz et 2kHz à -20 dB pour valider la linéarité à travers la bande passante;
  • Et des silences entre les tonalités pour observer le niveau de bruit de fond.


Pour les opérateurs qui ont accès à un moniteur d’excursion FM, la tonalité d'essai de 1kHz à -20dB devrait être employée pour ajuster la déviation maximale à 1kHz. Par la suite, après avoir ajusté les niveaux audio, la linéarité de la bande passante peut alors être vérifiée en utilisant les autres tonalités, la tonalité de 500hz -20 dB devrait engendrer une déviation de 500 hertz, la tonalité de 2kHz devrait engendrer une déviation de 2kHz.

Téléchargez le fichier de tonalité d'essai dans le format mp3 ici.

 

Liens :

Agilent: Documentation sur les techniques de mesure

Owen Duffy

Fonction de Bessel

 

Glossaire

Terminologie Description
BFO Oscillateur de battement
DB Décibels, moyens d'exprimer un rapport de puissance, calculés comme suit : 10*log (P1/P2)
dBFS Niveau d'un signal audionumérique par rapport à l'ampleur maximale possible échantillonnage (pleine échelle).
FM Modulation de fréquence
SSB Bande latérale unique
USB

Bande latérale supérieure

PCM Modulation par impulsion et codage