La communication radio en RC,

caractéristiques essentielles

 

 

 

 

Philippe Kauffmann, club des 5A Pardines (Auvergne)

Version 2.1 de janvier 2008

 

Liste des articles à : http://laic.u-clermont1.fr/~kauffmann/modelisme.htm

 

 

Cet article est le premier d’une série d’études ponctuelles de vulgarisation ayant pour objectif de rappeler quelques données majeures concernant le modélisme. Rappels pour les modélistes confirmés, ils s’agira probablement d’informations nouvelles utiles aux débutants pour comprendre quelques tenants et aboutissants de notre hobby.

 

 

La transmission radio classique (entre 27 MHz et 75 MHz)

 

 

 

Figure 1 : propagation de l’onde radio

 

 

La figure 1 montre de façon simplifiée le lien entre un émetteur et un récepteur RC. Comme on peut le remarquer, même simplifiée, la relation est plus complexe qu’on pourrait le croire.

 

D’abord, l’émetteur n’envoie pas une onde unique en direction du récepteur, mais deux :

 

Ces deux ondes se combinent en formant des interférences. En particulier, lorsque le récepteur est proche du sol, l’onde réfléchie ─ en opposition de phase avec l’onde directe ─ affaiblit considérablement l’onde résultante ; si bien que la portée s’en trouve fortement diminuée. Les indications de portée des appareils données pour un récepteur à 1,5 m du sol ne sont donc pas comparables à ce qu’on obtient en l’air.

 

Ensuite, l’onde radio étant une onde électromagnétique, elle est polarisée. Dans le cas d’antennes filaires ont doit considérer deux composantes :

 

L’antenne d’émission, selon son orientation, génère une composante horizontale qui peut être d’amplitude très différente de la composante verticale. De la même façon, selon son orientation, l’antenne de réception peut présenter une sensibilité très différente à la composante horizontale et verticale.

Le signal reçu peut par conséquent à l’extrême être nul ─ même à faible distance ─ si l’antenne d’émission est strictement verticale (pas de composante horizontale émise) et l’antenne de réception strictement horizontale (sensibilité nulle à l’onde verticale).

 

            Enfin, le récepteur ne reçoit pas seulement l’onde radio qu’on lui destine, mais aussi des perturbations et du bruit « thermique ». Les perturbations sont négligeables quand tout va bien, mais peuvent devenir limitantes dans les zones industrielles, certaines zones urbaines ou sur des terrains encombrés de modélistes ou si on utilise du matériel mal antiparasité (voir article : Perturbations des transmissions RC). Le bruit thermique, aussi appelé bruit quantique, provient de l’agitation des atomes et est impossible à éliminer. Sa puissance Pb répond à l’équation 1 :

 

Pb = 4.k.T.Δf              (1)

 

où k = 1.38 10-23 unités SI est la constante de Bolzman (grandeur physique fondamentale), T la température absolue et Δf la bande passante du récepteur. En pratique, on ne peut guère agir que sur T en refroidissant fortement le récepteur (c’est ce qu’on fait dans les satellites et les sondes spatiales), mais c’est impraticable en modélisme.

Il ne sert donc à rien d’augmenter la sensibilité du récepteur en amplifiant le signal reçu car on augmenterait d’autant le bruit. La seule solution est donc d’avoir dès l’antenne de réception un signal utile suffisamment grand devant le bruit ; c’est ce qu’on appelle le rapport signal sur bruit S/B. Ceci limite donc intrinsèquement la portée du système à la puissance d’émission et la performance des antennes. Il est par conséquent inutile d'augmenter outre mesure la sensibilité d'un récepteur car le bruit thermique rendrait cette sensibilité inopérante.

 

 

Les grandeurs et leurs unités

 

L’objectif n’est pas ici de faire des mathématiques, on se contentera de préciser les unités utilisées traditionnellement dans les documentations des matériels radio. La grandeur la plus utilisée est la puissance transmise à l’émission, comme celle reçue à la réception. Elle s’exprime en W, mW, µW, nW ou pW. Comme les écarts peuvent être très grands on exprime bien souvent cette puissance sous forme logarithmique en utilisant les décibels (dB) dont la formule est donnée par l’équation 2 :

 

          (2)

 

Les dB sont soit relatifs, soit absolus en prenant une puissance de référence fixe Pr. Les dBm sont des dB absolus, c’est-à-dire relatifs à 1 mW.

 

Exemples : un émetteur qui rayonne 500 mW a une puissance d’émission de 10xlog(500/1) = 27 dBm.

 

Un récepteur qui a une sensibilité de -100 dBm peut se contenter d’une puissance P = 1mWx10-100/10 = 0.1 pW (soit 2,2 µV sur 50 Ω) à l’antenne.

 

N. B. : ces valeurs sont typiques de nos systèmes de radiocommande en 27, 35, 40, 41, 72 ou 75 MHz (selon les pays).

 

Une valeur de puissance de 0 dB (relatif) correspond à la valeur nominale (de référence). Une valeur de -30 dB correspond à un millième de la valeur nominale.

 

La deuxième grandeur la plus utilisée est la sensibilité définie en microvolts. Cette valeur, souvent donnée pour les récepteurs, est malheureusement biaisée, car elle n’a de sens que si l’on précise le rapport signal sur bruit S/B correspondant. Elle ne permet donc pas de comparer précisément des récepteurs. De l’ordre de 2 µV ou moins le récepteur est « grande distance ». Au-dessus de cette valeur il s’agit en général d’un récepteur à gain limité pour l’indoor.

 

 

La réception

 

Figure 2 : diagramme polaire de sensibilité d’une antenne filaire horizontale

 

Pour comprendre le comportement d’une antenne de réception, le plus simple est d’établir son diagramme polaire. Celui de la figure 2 correspond à une antenne filaire horizontale de 70 cm de long, à 41,100 MHz, vue à 30° au-dessus du sol. La sensibilité est donnée pour les composantes horizontales et verticales en dB relatif (la sensibilité moyenne est donc ramenée arbitrairement à 0 dB).

On remarque que l’antenne est surtout sensible à la composante horizontale et que cette sensibilité est maximum lorsque l’angle est de 90° ou 270° (antenne vue de coté, donc modèle vu de profil). Pour cette direction, la sensibilité à l’onde verticale est nulle. On remarquera que dans cet exemple la sensibilité à la composante verticale est au mieux 7 dB au-dessous de la composante verticale, ce qui signifie que l’antenne est au moins 5 fois plus sensible à la composante horizontale.

Le plus important est les creux de sensibilité, directions pour lesquelles l’antenne est insensible à une composante ou une autre. Ces angles critiques sont 0°, 90°, 180° et 270°. Pour ces directions il y a danger de non réception car le signal devient trop faible.

 

L’émission

 

Figure 3 : diagramme polaire de rayonnement d’une antenne télescopique

inclinée à 45° vers le modèle, 1,15 m au-dessus d’un sol standard

 

 

L’analyse faite pour l’antenne de réception doit, bien entendu, aussi être faite pour l’antenne d’émission. Le cas est différent à cause de la réflexion par le sol (qui change selon le degré d’humidité du sol) et la présence du corps du pilote.

 

Observations :

·        la composante verticale est dominante,

·        l’onde est plus forte vers l’arrière que vers l’avant (direction du modèle) car à 41 MHz le corps humain n’agit pas comme réflecteur, étant trop petit devant la longueur d’onde.

 

Figure 4 : diagramme polaire de rayonnement dans le plan vertical

d’une antenne télescopique inclinée à 45° de la verticale vers le modèle

 

 

La figure 4 nous permet d’observer ce qui se passe lorsqu’on s’oriente strictement vers le modèle. On observe cette fois que :

·        dans cette direction la composante horizontale privilégiée par l’antenne de réception est inexistante,

·        la puissance d’émission est fortement atténuée si le récepteur est à moins de 10° au-dessus du sol,

·        à 45° (direction de l’antenne) la puissance d’émission n’est pas du tout nulle contrairement à certaines croyances (à cause l’onde réfléchie par le sol),

·        on émet plus vers l’arrière que vers l’avant !

 

L'atténuation due à la distance

 

         La puissance reçue par l'antenne de réception est d'autant plus faible que le récepteur est éloigné de l'émetteur. L'atténuation résultante A qui est le rapport entre la puissance émise et la puissance reçue répond à l'équation 3 ci-après :

 

    (3)

 

Dans cette équation c est la vitesse de la lumière (300 000 km/s), f la fréquence de l'émetteur en Hz et d la distance en mètres.

 

Une forme en dB plus commode est fournie en 4 :

 

Adb = 42,35 + 20.log(f) + 20.log(d)     (4)

 

Cette fois ci la fréquence est donnée en MHz et la distance en kilomètres.

 

Par exemple :

 

            Supposons qu'on ait un émetteur qui rayonne 500 mW (27 dBm) et que le gain vertical de l'antenne d'émission dans la direction considérée (20° au-dessus de l'horizon) soit de -5 dB comme dans la figure 4. Dans ce cas la P.I.R.E. (Puissance Isotropique Rayonnée Equivalente) dans la direction considérée sera de 27 – 5 = 22 dBm (voir paragraphe "Les grandeurs et leurs unités"), ce qui correspond à une P.I.R.E. de 158 mW.

 

            La P.A.R. (Puissance Apparente Rayonnée (comparativement à un dipôle qui a un gain intrinsèque de 1,76 dB )) qui correspond à la P.I.R.E. diminuée de 1,76 dB est limitée à 100 mW en France. Dans notre exemple la P.A.R. est de 105 mW, mais cette valeur est de toute façon mal connue, car fonction de l'antenne, de son orientation et de la qualité du sol…

 

Si notre émetteur fonctionne sur 41,1 MHz, l'atténuation en dB à 1 km sera d'après l'équation 4 :

 

AdB = 42,35 + 20.Log(41,1) + 20.Log(1) = 74,6 dB

 

Si l'antenne de réception à une sensibilité de -14 dB à l'onde verticale (voir figure 2 et une inclinaison de 20°), la puissance reçue au récepteur sera de :

 

PdB = 22 – 74,6 – 14 = -66,6 dB, ce qui est largement suffisant avec un récepteur d'une sensibilité typique de -100 dBm.

 

En fait, la portée maximale serait  dans ce cas de :

 

20.Log(d) = 100 – 66,6   => d = 42,8 km, soit bien plus que nécessaire…

 

En fait, cette portée est illusoire, car il faut impérativement prendre en compte les cas les plus défavorables, c'est-à-dire lorsque les antennes ont l'orientation réciproque la plus mauvaise.

 

 

La portée réelle résultante

 

Les diagrammes polaires montrent que le couple "antenne d’émission ─ antenne de réception" est très mal appairé. En fait, ça ne fonctionne que grâce à la très forte puissance d’émission qui fait qu’il en reste toujours assez, même lorsqu’on est dans une zone à –20 dB pour l’antenne de réception comme d’émission. Il n’en reste pas moins vrai que pour des directions très précises il y a des décrochages que tous les modélistes ont connu à un moment ou un autre. Heureusement, ils restent brefs (en principe) car le modèle bouge vite par rapport à l’émetteur.

Ainsi, donner une portée précise n’a aucun sens. Dans une direction favorable, cela se compte en dizaines de km comme on vient de le voir au paragraphe précédant, mais dans une direction particulièrement défavorable on peut descendre au-dessous de 10 m !

 

En particulier, proche du sol, il ne faut pas s’éloigner. L’essai préalable de portée au sol prôné par la FFAM prend tout son sens lorsqu’on regarde la figure 4. J’ai pu vérifier deux fois la pertinence de ce test :

·        fil d’antenne de réception cassé à l’entrée du récepteur qui tenait uniquement par la gaine souple (portée limitée à environ 10 m),

·        antenne télescopique qui faisait des faux contacts entre les segments et limitait ainsi sporadiquement la portée à quelques mètres. Changez les antennes qui présentent du jeu entre les segments et nettoyez les régulièrement avec de la bombe à contacts électriques.

 

Les choix que l’on peut faire pour optimiser le fonctionnement sont limités. Notons simplement l’antenne fouet verticale de réception qui permet une polarisation émission/réception compatible. On peut obtenir un peu la même chose en laissant traîner verticalement l’extrémité de l’antenne au bout du fuselage. Il ne faut surtout pas raccourcir l’antenne de réception ou la replier sur elle-même, ceci dégraderait significativement la portée.

 

En cas de perte de portée (forte distance), se mettre de profil ou incliner l’émetteur latéralement pour augmenter la composante horizontale pourra parfois sauver la mise. Se mettre de dos peut aussi être tenté, mais présente au moins un inconvénient évident !

 

 

La transmission radio en bande ISM à 2,4 GHz

 

 

Le système radio qui vient d’être décrit a été ébauché dans les années 60 et n’évolue plus guère depuis le milieu des années 70. Il ne devrait plus aujourd’hui se voir que dans des musées si une étrange inhibition de l’innovation n’avait saisi nos radios RC. Heureusement, les techniques modernes (utilisées depuis des décennies dans le domaine militaire, une quinzaine d’années dans les GPS et environ 10 ans dans la téléphonie mobile) apparaissent enfin aussi dans notre hobby. Mieux vaut tard que jamais !

 

Actuellement (fin 2007), trois sociétés proposent du matériel pour le modélisme : la société SPEKTRUM associée à JR, la société FUTABA et le distributeur allemand Graupner (système IFS). Si on est bricoleur on pourra adapter soi-même des modules industriels au standard ZigBee, bon marché et faciles à trouver.

 

ISM, acronyme de Industrial, Scientific & Medical rerésente les bandes de fréquence que les divers états mondiaux on fini par concéder gratuitement au public (même dans un pays « libre » il est interdit de communiquer par radio sans licence, sauf cas particulier). La bande de fréquence de 2,4 GHz, un peu au-dessus de celle des GPS et des téléphones mobiles est située dans le domaine des micro-ondes, zone où la propagation est très différente de ce qu’on peut observer à 41 MHz. Cette bande est partagée avec les normes WIFI, BLUETOOTH de l’informatique, ZIGBEE de l’industrie et les fours à micro-ondes (ceci explique cela !).

 

 

Modification de la propagation

 

Dans le domaine des micro-ondes, le problème des interférences est beaucoup plus marqué qu’à 41 MHz, c’est à cause de ce problème que lorsque votre téléphone mobile ne capte pas bien, vous pouvez tout changer en vous déplaçant d’un ou deux mètres ! Les deux articles ci-après, bien qu’anciens et dans un autre cadre, vous permettront malgré tout de mieux appréhender le problème :

·        Les RLIT sans fil,

·        Portage de Télédomotis à la radio.

 

Les opérateurs de téléphone résolvent ce problème en plaçant plusieurs antennes sur leurs stations de base (typiquement 3 par direction). Ceci permet de choisir celle qui capte le mieux. SPEKTRUM et FUTABA règlent le problème en utilisant soit deux récepteurs pour le premier, soit deux antennes pour le second. Si les antennes ont des orientations orthogonales, cela règle du même coup le problème des polaires évoquées au premier chapitre, et permet de limiter la puissance d’émission à quelques dizaines de milliwatts avec une portée suffisante (la portée résultante dépend alors beaucoup des caractéristiques des récepteurs).

 

Le DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum)

Ou l’étalement de spectre par codage direct

 

Pour permettre de partager à plusieurs la même fréquence (et donc éviter l’utilisation de quartz interchangeables), les systèmes DSM de SPEKTRUM/JR et IFS de Graupner utilisent l’étalement de spectre par codage direct, technologie inventée par les militaires après la seconde guerre mondiale et utilisée pour rendre les transmissions très discrètes et difficiles à perturber.

 

L’idée de base est simple : un signal n’est perceptible et exploitable que s’il est suffisamment grand devant le bruit. Donc, si l’on peut étaler un signal sur une bande de fréquence suffisamment large, il sera au-dessous du bruit et donc indétectable. Ce sera le cas, sauf pour le récepteur capable de reconcentrer ce signal et par effet réciproque à étaler le bruit. Le détail du fonctionnement et les graphiques correspondants sont exposés dans l'article "Etalement de spectre direct".

L’étalement est obtenu en remplaçant chaque un et chaque zéro d’une transmission numérique par une séquence prédéterminée et fixe de uns et zéros (le dispositif ne fonctionne que pour des transissions numériques, c’est-à-dire de nombres binaires). Cette séquence (de 256 bits par exemple) représente le code (secret pour les miitaires). En utilisant le code à l’émission on multiplie la largeur de bande utilisée (par 256 dans notre exemple) et on divise par autant le rapport signal sur bruit, contribuant ainsi à rendre le signal indétectable.

A la réception, on reconcentre le signal en le multipliant par le code (éventuellement secret) de l’émission. Ceci régénère les uns et les zéros et les extrait du bruit qui se trouve étalé. La multiplication mathématique reconcentre donc le signal et étale le bruit ; tout simplement.

La difficulté vient du fait qu’il faut évidemment utiliser le bon code en réception, mais surtout exactement au bon moment ! Deux systèmes utilisant le même code, mais de façon asynchrone ne se voient pas. Dans un GPS par exemple, le récepteur essaie au démarrage les codes des satellites en vue en décalant l’instant de génération de ces séquences petit à petit jusqu’à la détection d’un signal cohérent. C’est cette phase d’accrochage qui rend le temps de démarrage des GPS si long. Il faut parfaitement synchroniser la réception sur l’émission avant que cela fonctionne.

 

La réalité est un peu plus complexe pour nous, car en 2,4 GHZ il faut partager les canaux avec les autres. L’émetteur (qui est en réalité un transceiver, c'est-à-dire un émetteur/récepteur) cherche le canal le moins chargé parmi ceux disponibles (typiquement 80 canaux d’un MHz, mais seulement 53 accordés en France avec une puissance suffisante). Une fois le canal trouvé, l’émetteur émet une séquence d’identification et attend la réponse de son récepteur (qui est donc aussi un transceiver). Lorsque les deux éléments sont "accrochés" l’utilisation peut commencer. Dans le cas de DSM2, ce sont même deux canaux simultanés qui sont sélectionnés par sécurité. Dans le cas d'IFS le canal est modifié dynamiquement en cas de charge trop forte sur le canal courant.

 

Les avantages du système sont multiples :

·        plus besoin de quartz car chaque système a un code unique et peut partager sa fréquence avec d’autres,

·        plus de risque d’interférence,

·        plus de « trou » de réception grâce aux antennes de réception multiples,

·        système bidirectionnel permettant le retour d’information au sol.

 

 

Le FHSS (Frequency Hopping Spread Spectrum)

Ou l’étalement de spectre par saut de fréquence

 

Avant le DSSS les miliaires ont utilisé le FHSS, c'est-à-dire dire des changements de fréquence périodiques pour échapper à l'interception par l'ennemi ; cette technique plus rustique que le DSSS étant plus facile à mettre en œuvre. C'est la technique retenue par FUTABA avec son système FASST qui change de fréquence toutes les 2 ms.

 

L’idée FUTABA est simple : un servo typique ne reçoit un ordre que toutes les 22 ms ; donc en envoyant les ordres avec une périodicité onze fois supérieure sur des fréquences différentes, il y en arrivera toujours assez sans perturbation, même si plusieurs fréquences sont occupées.

 

Bien sûr, pour que cela fonctionne il faut que le récepteur connaisse à l'avance la séquence de fréquences (secrète dans le cas d'un système militaire) et change de fréquence en même temps que l'émetteur. La difficulté vient donc du fait qu’il faut évidemment utiliser la bonne séquence en réception, mais surtout exactement au bon moment ! Comme dans le cas du DSSS il faut donc des transceivers, afin que le récepteur puisse dialoguer avec l'émetteur pour se synchroniser sur lui. Les avantages sont strictement les mêmes que ceux du DSSS dont ce principe ne se distingue que par la méthode d'étalement de spectre.

 

 

Conclusion

 

L’arrivée si tardive des systèmes de transmission modernes en RC est à regretter, mais ils commencent à exister et rendent l’utilisation des fréquences inférieures (entre 27 MHz et 75 MHz) définitivement obsolètes en balayant d’un coup tous les problèmes :

·        choix d’une fréquence ne provoquant pas de conflit (par la scrutation des canaux disponibles au démarrage),

·        interférences entre utilisateurs,

·        pertes de portées (par les antennes multiples et le mode Hold).