Jean-François FOURCADIER
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Présentation de cette réalisation (avec transmission de signaux préenregistrés de télévision numérique):

- à Muret (Haute-Garonne), le samedi 19 mars 2005 à 11 heures, à l'invitation du Lycée Charles de Gaulle, dans le cadre de Saratech,
- à Seigy (Loir-et-Cher), le samedi 2 avril 2005 à 14 heures, à l'invitation du REF-Union.

 

Modulateur QPSK simple et économique
pour débuter en transmission de signaux de télévision numérique amateur à la norme DVB-S

 



Les émissions de télévision numérique commerciales à la norme DVB-S s'effectuent avec une modulation à quatre états de phase désignée également par l'abréviation QPSK (Quaternary Phase Shift Keying). Pour générer au niveau amateur des signaux compatibles avec les démodulateurs que l'on trouve à bas prix en grandes surfaces, il est nécessaire de créer des signaux aux caractéristiques semblables. Bien entendu, le but de ce modulateur n'est pas de rivaliser avec des ensembles professionnels coûteux, mais de montrer qu'il est possible de réaliser avec des moyens amateur modestes un modulateur simple et économique, mais néanmoins parfaitement fonctionnel. Ce modulateur entre dans la constitution d'un ensemble très simplifié de transmission de signaux de télévision numérique amateur qui sera décrit par ailleurs.

Pour rester dans une logique amateur, cette réalisation est présentée sous une forme didactique avec un rappel préalable de quelques notions théoriques importantes et une explicitation des choix effectués et de leurs conséquences. Néanmoins, le lecteur pressé de construire ce modulateur pourra se rendre directement à la partie "réalisation pratique" où il trouvera schéma de principe et circuits imprimés. Bonne lecture et bonne réalisation !

 

Rappel de quelques notions théoriques importantes

En modulation QPSK, le transport de l'information binaire s'effectue en modifiant la phase d'un signal sinusoïdal, d'un angle de 0°, 90°, 180° ou 270°:

 

On représente souvent un signal modulé QPSK par un diagramme polaire :

A chaque symbole transmis correspond un état de phase choisi parmi quatre. Un symbole représente donc deux bits, avec une correspondance telle que :

symbole
(message binaire élémentaire)
phase du signal
0 0
0 1
90°
1 1
180°
1 0
270°

tableau de correspondance symbole --> phase

La conséquence importante de ceci est que, en modulation QPSK, le débit binaire (exprimé en bit/s) est égal au double du débit symboles (exprimé en Baud ou symbole/s).

On peut observer que chaque fois que la phase est modifiée par le modulateur, une discontinuité apparaît dans le signal modulé:

Les discontinuités qui se succèdent ont bien sûr des conséquences importantes sur le spectre du signal modulé:

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le spectre en présence d'un signal modulant aléatoire à 2,048 Mbit/s

Un tel signal à spectre très large ne peut pour des raisons évidentes être transmis par voie hertzienne. Un filtrage est donc nécessaire. Cependant, les caractéristiques fréquentielles et temporelles du filtre sont ici essentielles pour permettre une démodulation correcte. La théorie nous apprend que le filtrage global réalisé par l'émetteur et le récepteur doit idéalement avoir une réponse fréquentielle symétrique par rapport à une fréquence pivot égale à la moitié de la fréquence symbole. On emploie généralement un filtre dit en "cosinus surélevé". Un paramètre appelé coefficient d'arrondi ou roll-off caractérise la rapidité de la coupure autour de la fréquence pivot. Le filtrage est habituellement réalisé pour moitié dans l'émetteur et pour l'autre moitié dans le récepteur. Le filtrage dans l'émetteur doit donc avoir une réponse fréquentielle en "racine de cosinus surélevé". Ce filtrage, appelé filtrage de Nyquist, peut être réalisé, soit par un filtre passe-bande au niveau du signal RF, soit par un filtre passe-bas au niveau des signaux modulants I et Q. Dans le cas d'un filtrage passe-bas, la courbe de réponse du filtre est la suivante:

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en rouge le filtrage en cosinus surélevé (global émission+réception) - en violet le filtrage en racine de cosinus surélevé (émission)

Lorsque la condition de filtrage n'est pas bien remplie, que ce soit à l'émission ou à la réception, il en résulte une interférence intersymboles qui apporte un bruit supplémentaire lors de la démodulation. Bien entendu, l'importance relative de ce bruit est fonction du degré d'imprécision du filtrage. Un filtrage numérique, tel qu'il est pratiqué dans les émetteurs numériques professionnels ou dans les récepteurs de télévision numériques grand public approche de très près la courbe idéale. Ce résultat est beaucoup plus difficile à atteindre avec des composants traditionnels (inductances, capacités). Dans une réalisation simplifiée, il faudra nécessairement gèrer un compromis entre spectre du signal de sortie, interférence intersymboles, et simplicité du filtre.

Réalisation de la fonction modulation QPSK

Un modulateur QPSK peut être construit, soit au moyen de circuits intégrés spécialisés - certains permettent de réaliser directement cette modulation à 1,2 GHz voire même à 2,3 GHz -, soit de manière plus traditionnelle à fréquence basse au moyen d'un assemblage faisant intervenir un déphaseur de 90°, deux mélangeurs équilibrés et un sommateur. C'est cette manière simple et didactique que nous utiliserons, même si elle oblige ensuite à transposer le signal à la fréquence de travail choisie.

synoptique d'un modulateur QPSK

Le signal RF issu d'un oscillateur attaque les entrées LO des deux mélangeurs équilibrés, la voie Q étant déphasée de 90° au moyen d'un circuit déphaseur. Les signaux issus des ports de sortie des mélangeurs sont recombinés au moyen d'un sommateur à résistances. Les signaux binaires modulants I et Q sont appliqués sur les entrées IF des mélangeurs.

Réalisation pratique du modulateur QPSK

Un modulateur QPSK a déjà fait l'objet d'une précédente description sur ce site. Il a permis de réaliser d'intéressants essais de télévision numérique à la norme DVB-S. Une nouvelle réalisation est proposée avec un certain nombre d'améliorations rendant ses performances meilleures et sa construction, son réglage et son utilisation plus faciles :

- fréquence de sortie de 70 MHz, normalisée sur de nombreux équipements professionnels
- entrées I et Q sur circuits logiques assurant une remise en forme des signaux modulants
- élimination du neutrodynage. Un soin dans la réalisation permet d'obtenir plus de 35 dB de réjection de porteuse
- filtres de Nyquist du cinquième ordre conduisant à un spectre de sortie plus propre
- présence de deux entrées auxiliaires I* et Q* pour une expérimentation de réduction de l'interférence intersymboles par une prédistorsion des signaux I et Q

Le débit binaire de sortie est quant à lui maintenu à 2,048 Mbit/s, soit un débit symbole QPSK de 1,024 MBaud (ou 1,024 MS/s).

 Discussion sur le schéma électrique

Un oscillateur de type "informatique" délivre un signal à 70 MHz qui est amplifié et isolé au moyen d'un amplificateur monolithique de type MAV-11. Ce circuit permet d'obtenir deux signaux LO d'amplitudes convenables malgré l'affaiblissement par les circuits déphaseurs. Le signal est ensuite transmis aux deux mélangeurs I et Q à travers deux résistances d'équilibrage des voies et de cellules déphasant le signal de + 45° pour la voie I et de - 45° pour la voie Q. Les condensateurs ajustables CA1 et CA2 permettent d'ajuster très précisément le déphasage introduit entre les signaux LO qui doivent être rigoureusement en quadrature et avoir la même amplitude. Une modèlisation à l'aide du logiciel Ansoft Designer (version étudiant, disponible gratuitement en téléchargement) a permis de déterminer les valeurs correctes des composants :

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(à gauche le schéma des déphaseurs, au centre la variation d'amplitude en fonction de la fréquence, à droite la variation de phase)

Les signaux issus des deux mélangeurs sont ensuite additionnés grâce à deux simples résistances avant d'être amplifiés par l'amplificateur de sortie équipé d'un circuit MAR-6 ou MAV-6.

Les mélangeurs équilibrés sont des modèles SRA-1 de Minicircuits. Attention, ne pas utiliser les variantes SRA-1H ou SRA-1W dont les brochages sont légèrement différents (les points milieux des transformateurs ne sont pas accessibles indépendamment). Un circuit Texas Instruments de masse virtuelle TLE2426 délivre une demi-tension d'alimentation de 2,50 V sous une très faible impédance. Contrairement à ce qui est obtenu avec des régulateurs traditionnels, cette tension sera maintenue constante en condition de fourniture ou d'absorption de courant par le montage. Ce circuit est disponible dans le commerce de détail. Le fait d'appliquer une demi-tension d'alimentation sur l'entrée IF des mélangeurs permet d'assurer la commande au moyen de niveaux de tensions issus de circuits logiques HCMOS standards.

Les signaux modulants I et Q sont mis en forme par un circuit logique 74HC244 (octal 3-state buffer), puis filtrés par deux filtres LC avant d'être présentés sur les entrées IF des mélangeurs. Sous une apparente simplicité de réalisation, la problématique des filtres de Nyquist est difficile et les choix effectués à ce niveau conditionnent directement le résultat d'ensemble. Les filtres idéaux en racine de cosinus surélevé sont complexes à réaliser avec des éléments discrets et au bout du compte peu performants en termes de raideur de filtrage. Après divers essais, une structure de type Butterworth du 5ème ordre, s'est révélée un compromis acceptable entre qualité spectrale, interférence intersymboles et simplicité de réalisation. L'impédance itérative des filtres est fixée à 100 ohms. L'interférence intersymboles est minimisée en ajustant la fréquence de coupure du filtre pour une réponse indicielle optimale. Ce résultat est obtenu grâce à une modèlisation effectuée avec le logiciel CircuitMaker, version étudiant téléchargeable gratuitement.

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réponse indicielle du filtre retenu

Lorsqu'on applique un échelon à l'entrée du filtre et que l'on examine l'amplitude toute les 977 ns (période d'échantillonnage du récepteur pour un débit symboles égal à 1,024 MS/s), un rebond (entouré de rouge) vient légèrement en deça de la valeur souhaitée (ligne verte) et provoquera une erreur de positionnement du point dans la constellation (voir photographie ci-dessous). Ce rebond particulier constitue la contribution la plus importante à l'interférence intersymboles. Les autres points (entourés de bleu) sont très proches de la valeur attendue. L'erreur reste cependant modeste et le modulateur est tout à fait fonctionnel en l'état. Cependant la particularité décrite ci-dessus suggère une piste simple d'amélioration de l'interférence intersymboles qui sera décrite plus bas.

L'alimentation de l'ensemble du montage s'effectue sous une tension de 13 V continus. Le courant absorbé est de 100 mA environ.

Une piste simple d'amélioration de l'interférence intersymboles

Comme nous l'avons vu, la contribution majeure à l'interférence intersymboles est due au deuxième rebond visible sur la représentation de la réponse indicielle. Pour neutraliser cette contribution, nous pouvons apporter une correction en amont du filtre: Deux entrées auxiliaires I* et Q* sont disposées sur le circuit. En sortie du circuit logique 74HC244 sont placées deux résistances de pondération R29 et R30. Au moyen des quatre entrées I, I*, Q et Q* nous pouvons donc sélectionner un niveau de tension parmi quatre à appliquer à l'entrée des deux filtres. Il sera alors possible, en anticipant le rebond, de le neutraliser en appliquant une tension de correction. Les signaux convenables I* et Q* seront produits par le sérialisateur à CPLD qui génère les données.

Sur un plan plus philosophique, on peut dire qu'un filtre conserve une certaine "mémoire" des signaux qui lui ont été appliqués dans le passé. Un nouveau signal appliqué viendra s'ajouter avec la "mémoire" des précédents et le signal de sortie sera perturbé par un bruit parasite. Au moyen de quelques bascules logiques il est facile de conserver dans le sérialisateur qui produit les données un historique des données passées et de génerer le bon signal de correction qui sera pondéré par deux résistances. On réalise, de manière économique, une sorte de filtrage hybride analogique et numérique. Les résultats concrets de ce procédé expérimental seront évalués en même temps que le nouveau sérialisateur. On peut noter dès à présent que le coût de l'amélioration espérée restera très modeste au niveau matériel: deux fils et deux résistances.

Schéma électrique

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schéma du modulateur QPSK

Sélection des composants

Pour un bon fonctionnement du modulateur QPSK, un équilibre rigoureux entre les voies I et Q est fondamental. En utilisant sans précautions des composants standard on obtient une isolation médiocre entre les voies I et Q de l'ordre de 20 à 25 dB, ce qui est suffisant pour effectuer quelques essais sur table, mais pas pour une transmission à grande distance. En appairant simplement deux à deux les composants homologues des voies I et Q, au moyen d'un ohmètre pour les résistances, d'un capacimètre pour les condensateurs et d'un pont pour les inductances, l'isolation grimpe facilement à 35 dB ou 40 dB, voire plus, ce qui devient excellent. Il est inutile de rechercher à tout prix une isolation supérieure à 40 dB car les réglages ne peuvent alors plus être tenus dans la durée. Le moindre changement de température par exemple ramène l'isoation aux valeurs précitées. Les composants qu'il faut appairer sont les résistances définissant les amplitudes et phases des signaux LO, IF et RF, et les composants des filtres de Nyquist. Les valeurs des autres composants, capacités de découplage en particulier, ne sont pas très critiques.

Circuit imprimé

Le circuit imprimé est de type "une face et demi", c'est à dire double face avec une face servant simplement de plan de masse. De nombreuses liaisons sont effectuées avec soin entre les deux faces au moyen de morceaux de fils soudés de chaque côté. Le circuit régulateur 7805 sera fixé sur le boîtier métallique qui abritera l'ensemble et fera office de radiateur. Le raccordement au circuit imprimé sera réalisé avec de courts morceaux de câble souple. Avant la mise sous tension, on contrôlera au moyen d'une loupe l'absence de tout court-circuit entre les pistes.

télécharger le circuit imprimé aux formats Eagle .brd et bitmap .bmp ( 60 ko zippés)

Attention: Pour une bonne précision lors de l'exécution, il est recommandé d'employer le source .brd et le logiciel Eagle (version gratuite) plutôt que le fichier .bmp.

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Le circuit imprimé sera placé dans un boîtier Schubert de 148 x 74 x 30 mm muni d'un condensateur de traversée d'alimentation de type by-pass. Une place sera laissée disponible pour placer ultérieurement le sérialisateur. Enfin un connecteur DB-25 permettra la connexion à la source de données, un port parallèle d'ordinateur ou un boîtier contenant une EPROM.

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Réglages

La phase de réglage nécessite l'emploi d'un analyseur de spectre fonctionnant à 70 MHz. Les réglages sont au nombre de deux et visent à assurer une quadrature parfaite entre les deux signaux à 70 MHz attaquant les mélangeurs I et Q sur leurs entrées LO, en même temps qu'une égalité d'amplitude entre ces deux signaux. Ces réglages fixent la position des points dans la constellation. Pour ce faire nous aurons recours à un artifice. Il est nécessaire de disposer de deux signaux logiques modulants I et Q à 2,048 Mbit/s, soit 1,024 Mbit/s par voie, parfaitement en quadrature. Un tel générateur de signaux de test peut être facilement construit avec quelques circuits logiques ou un CPLD. Cette fonctionnalité est intégrée dans le sérialisateur à CPLD compagnon du présent modulateur.

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Le modulateur QPSK connecté sur un petit générateur de signaux test de construction amateur

En présence du signal test quadrature avance (respectivement quadrature retard) on visualisera le spectre du signal de sortie du modulateur. On agira alternativement sur les deux condensateurs CA1 et CA2 d'ajustement des deux déphasages pour favoriser la raie à + 512 kHz (respectivement - 512 kHz) et affaiblir la raie indésirable. La conception du montage et la qualité des mélangeurs équilibrés SRA-1 permettent d'obtenir une réjection de porteuse supérieure à 40 dB. Après réglage des deux condensateurs ajustables on obtient aisément une réjection de chacune des raies latérales indésirables supérieure à 35 dB, voire davantage si l'on a rendu le montage bien symétrique (cf supra)..

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photographies du spectre lors du réglage

Performances obtenues

En présence d'un signal modulant pseudo-aléatoire, l'analyse du spectre montre que l'énergie est concentrée dans une bande de 4MHz. C'est un peu large pour un débit binaire de 2,048 Mbit/s ! Ceci est la conséquence directe de la simplicité du filtrage des signaux modulants par un filtre Butterworth du 5ème ordre. Un filtrage complémentaire sera souhaitable en RF pour éliminer l'énergie lointaine.

Il a été possible de connecter ce petit modulateur QPSK sur un analyseur de modulation professionnel paramètré avec les données de réception DVB-S (filtrage root raised cosine, roll-off = 0,35). L'analyseur présente donc le signal tel que pourrait le voir un récepteur proche. Sans surprise, la constellation montre les effets de l'interférence intersymboles, conséquence directe de la simplicité des filtres de Nyquist employés dans les voies I et Q. Néanmoins le diagramme de l'oeil est bien ouvert et la pénalisation réelle en termes d'efficacité reste très modeste. On devine que chaque symbole est en fait représenté par quatre groupes de points. Le dispositif de prédistorsion décrit plus haut devrait apporter une amélioration substantielle!

 

Conclusion

Ce petit modulateur QPSK est peu coûteux et simple à réaliser avec des moyens amateur. Même si ses performances, notamment au niveau spectral et interférences intersymboles n'atteignent pas celles des réalisations professionnelles, on disposera avec lui d'un dispositif permettant de réaliser d'intéressantes expérimentations de transmission de télévision numérique à la norme DVB-S. Il sera par ailleurs intéressant de suivre les résultats obtenus avec le procédé très simple qui est proposé pour améliorer la performance en matière d'interférence intersymboles. Voir à ce sujet l'article suivant relatif à l'exciter et au sérialisateur.

 

Allumons nos fers à souder !

 

 

B5+ et 73 de Jean-François Fourcadier, F4DAY

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