Jean-François FOURCADIER
F4DAY

Montpellier  (France)

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Construction du relais VHF phonie F1ZGU

 

QTH

Montpellier (34)

Fréquence d'entrée

145,0875 MHz

Fréquence de sortie

145,6875 MHz

P A R

10 W

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Plan:

Généralités

Constitution d'un relais VHF

Réalisation

- partie radio

- partie logique

Les aspects administratifs

L'équipe projet

Questions fréquentes (FAQ)

Références et liens utiles

Généralités :

 

Le but de cet article est de décrire une réalisation d'amateur. Tout d'abord, au niveau du principe, on rappelle que le relais (ou répéteur) VHF phonie est généralement placé sur un point haut du relief. De ce fait, il "voit" une étendue géographique importante et va permettre à des stations éloignées d'entrer en contact. Sur le plan radioélectrique, il écoute en permanence les signaux transmis sur une fréquence dite "fréquence d'entrée" du relais, et retransmet simultanément ces signaux sur une fréquence différente, dite "fréquence de sortie" du relais. Il existe plusieurs sortes de relais. Sous leur forme la plus simple, la liaison entre le récepteur qui écoute et l'émetteur qui retransmet s'effectue au niveau audio.

Constitution d'un relais VHF :

 

Un relais VHF phonie est constitué de six parties principales dont on donnera ci-après les principales caractéristiques:

le récepteur

Il doit être de grande qualité. Il doit à la fois être sensible et pouvoir fonctionner dans un environnement de signaux forts, sur une fréquence très voisine (celle de l'émetteur associé), ou des fréquences plus éloignées (autres émetteurs éventuellement sur le site). De plus, pour ne pas être perturbé par des émissions destinées à des relais éloignés travaillant sur les canaux adjacents, la sélectivité globale du récepteur doit être strictement adaptée à la largeur du canal employé.

l'émetteur

Les qualités attendues sont ici, la fiabilité, une production de signaux non essentiels à un niveau très faible, et surtout, l'absence de fuites HF. Ce point est très important. Toute l'énergie HF qui sort de l'émetteur, doit sortir par la fiche coaxiale (de qualité), et nullement par le câble d'alimentation, les liaisons audio ou de commandes.

la logique de commande

La logique de commande assure le respect de la réglementation, au demeurant assez peu contraignante (indicatif du relais et lieu, en phonie ou en télégraphie) et la production de signaux de confort ou d'aide à l'exploitation: invitation à transmettre, niveau du signal reçu, antibavard, température du lieu, temporisations diverses, gestion de la tonalité d'accès éventuelle, etc... Même si les fonctions de base peuvent être réalisées de façon sommaire, la disponibilité de microcontrôleurs performants permet aujourd'hui d'enrichir considérablement la palette des services offerts (gestion vocale, retour de statistiques de fonctionnement, etc ...).

le duplexeur

Le duplexeur permet de connecter l'antenne de réception sur le récepteur, en affaiblissant le moins possible le signal à recevoir, mais en apportant un affaiblissement très important au signal issu de l'émetteur. De manière symétrique, il doit connecter l'émetteur sur l'antenne d'émission en affaiblissant très peu le signal à émettre et en affaiblissant de manière importante les composantes tombant dans le canal de réception. Ce dernier point peu paraître étrange. Ceci s'explique par le fait qu'un émetteur , outre le signal utile, délivre un bruit large bande, dont l'amplitude est loin d'être négligeable. Le calcul montre d'ailleurs que le risque de désensibilisation du récepteur est plus grand du fait du bruit généré par l'émetteur, à la fréquence de réception, que par la présence de la raie, à la fréquence d'émission, à l'entrée du récepteur. Ce bruit devra être soigneusement réjecté au moyen des cavités situées entre l'émetteur et le connecteur d'antenne.

Les deux opérations ci-dessus sont donc effectuées au moyen d'un filtre duplexeur. Sur la bande VHF radioamateurs qui s'étend de 144 ,000 à 146,000 MHz *, l'usage veut que l'écart entre la fréquence de sortie et la fréquence d'entrée du relais soit de 600 kHz, ce qui correspond à un écart relatif de seulement 0,4 %. De plus si on souhaite utiliser une seule et même antenne pour l'émetteur et le récepteur (et c'est souhaitable pour des questions de couverture, de coût et de maintenance), des réjections de plus de 80 dB sont nécessaires entre les parties à isoler, en même temps qu'une perte d'insertion de moins de 3 dB entre les parties à connecter. L'atteinte de tels niveaux de performance nécessite un très grand soin dans la réalisation et le réglage. Il est indispensable d'utiliser des câbles coaxiaux de liaison double tresse (RG 214, ...) et des connecteurs professionnels de qualité (fiches N).

A noter que dans le domaine professionnel, les relais employés dans la bande voisine des 150 MHz utilisent un écart entre les fréquences d'émission et de réception de 4,6 MHz, ce qui relâche les contraintes et rend la réalisation du filtre duplexeur beaucoup plus simple (et rend accessoirement ces duplexeurs de peu d'intérêt pour un usage radioamateurs).

* selon le plan défini, seules les portions 145,0000 - 145,1875 MHz (entrée) et 145,6000 - 145,7875 MHz (sortie) sont normalement utilisées en France pour un usage "relais".

l'antenne

Elle doit être très robuste pour pouvoir accepter les conditions climatiques très difficiles généralement observées sur les points hauts. De plus les performances du duplexeur peuvent être dégradées si l'antenne n'est pas parfaitement adaptée (ROS < 1,2). Le fonctionnement avec une antenne unique est souhaitable car cela permet d'avoir une zone de couverture identique de l'émetteur et du récepteur et abaisse les coûts. La contrepartie est un soin un peu plus grand dans la confection du duplexeur.

l'alimentation

Elle devra supporter sans dommages et sans interruption de service des variations de température et surtout des chocs électriques d'origine naturelle (foudre), véhiculés par le réseau d'alimentation d'énergie.

On veillera à assurer une équipotentialité sans faille (câbles de forte section) entre les différents éléments: alimentation, duplexeur, émetteur, récepteur, pylône, antenne, et la terre.

Réalisation :

la partie radio

Les émetteurs récepteurs de qualité sont abondants et peu coûteux sur les étagères des professionnels et sur les marchés aux puces. Il est donc inutile de vouloir les construire à partir de composants. On a utilisé dans cette réalisation un émetteur-récepteur mobile Sintra-Alcatel 150 CP 16 utilisé naguère en téléphonie Radiocom 200. L'appareil de très bonne qualité a été payé (cher) 200 Francs.

Quelques modifications ont été apportées:

  • suppression du duplexeur interne 4,6 MHz (ne pas jeter, récupérer les hélices en gros fil argenté)
  • suppression de la carte CPU et de la carte de gestion des tonalités de signalisation
  •  remplacement du circuit synthétiseur Motorola série 145156 par un circuit parallèle 145152. Les fréquences de réception et d'émission ont été câblées en "dur". De  cette manière le RX-TX fonctionne de manière autonome sur la fréquence souhaitée
  • remplacement du TCXO d'origine, à la fréquence 9600,225 kHz (pour fournir un décalage d'un demi canal !) par un modèle plus classique à 12 800 kHz, et remplacement du pré diviseur par 12 par un pré diviseur par 16.

photographie: le synthétiseur

  • mise en place d'une fiche Sub-D 15 points pour réaliser les entrées-sorties des BF émission et réception, la sortie du signal logique squelch et l'entrée du signal logique de commande émission.

De très légères fuites de RF du boîtier radio sont décelées. Les coupables : les câbles de liaison BF et de commandes. Le remède radical est simple: un petit boîtier et cinq by-pass.

L'ensemble est placé dans un tiroir 19" qui, outre l'émetteur-récepteur, contient une adaptation des niveaux logiques vers le tiroir logique, un amplificateur BF 1W, des commutations, des fonctions et commandes d'exploitation (émission forcée, blocage émission, mode émission locale avec microphone, mode COR, normal)

photographie: le perçage du panneau d'exploitation de l'émetteur-récepteur

L'émetteur-récepteur Sintra-Alcatel 150 CP 16 (Radiocom 200), placé dans son tiroir 19". La puissance de sortie a été initialement réglée à 15 W HF, mais l'ensemble placé en émission permanente (ce qui est proche du régime souvent observé sur les relais), chauffait exagérément. Un travail au niveau de l'adaptation d'impédance de la sortie du module hybride Motorola MHW613 n'a pas permis d'améliorer notablement le rendement du PA qui s'établit aux environs de 30%. La raison en est vraisemblablement que le module hybride était prévu pour fonctionner dans la bande 160-170 MHz et que ses circuits internes fonctionnent beaucoup moins bien à 145 MHz ! Donc par prudence, la puissance HF de sortie est réglée à 10 W HF. Lors des passages en émission, un ventilateur se met en route et assure un refroidissement énergique.

De plus, lors du réglage du filtre duplexeur, il est apparu que celui-ci était fortement dépendant des longueurs des câbles de liaison. Une mesure au pont d'impédance VHF a montré un ROS de 2,8 à l'entrée du récepteur ! Toujours le même problème des appareils que l'on détourne de leur utilisation initiale ! Quelques condensateurs céramiques et quelques mesures plus tard le ROS passait à 1,050 et le problème évoqué plus haut disparaissait.

Enfin, la courbe de réponse audio de l'ensemble émetteur + récepteur a été mesurée et a fait apparaître un creux prononcé entre 400 et 800 Hz (presque -10 dB à 400 Hz). Une cellule de prédistorsion a été ajoutée et a rendu la courbe de réponse presque plate entre 400 et 3000 Hz (à 3 dB près).

le filtre duplexeur

Le filtre duplexeur utilise  4 cavités. La base a été récupérée sur un émetteur commercial 420 MHz (Radiocom 2000) où elle était utilisée en coupleur sur un mode harmonique (3 lambda/4). Les dimensions sont voisines du modèle commercial Wacom WP641.  télécharger la fiche technique Wacom au format .pdf (217 koctets)

Un dessoudage minutieux et des modifications ont été nécessaires (obturation de couplages internes et pose de platines connecteurs), mais cette récupération nous a fait économiser beaucoup de temps.

photographies: les cavités ; les tiges d'accord

Les analyses faites par la South East Iowa Technical Society (SEITS) et par l'ARRL dans l'Antenna Book sont très instructives.

Pour une bonne performance d'ensemble, l'illumination des cavités par les boucles de couplage doit être optimisée avec beaucoup de soin (forme et position des boucles de couplage).

Une fois ce travail réalisé, la procédure de réglage final est parfaitement décrite sur le site de Wacom.

télécharger la procédure de réglage au format .pdf (276 koctets)

Des description de filtres duplexeurs existent par ailleurs dans l' ARRL Antenna Book et en ligne sur le site français du REF.

IMPORTANT: Pour un fonctionnement convenable du duplexeur, il est indispensable que les trois accès (antenne, émetteur et récepteur) présentent une impédance réelle de 50 ohms ( 50 ohms + j 0 ohms). Si ce n'est pas le cas, le réglage tourne vite au cauchemar. Un pont d'impédance VHF est nécessaire. Lors des mesures on peut découvrir des choses surprenantes : dans notre cas, le récepteur présentait un ROS de 2,8 à l'entrée (voir plus haut) ! Le ROS du récepteur peut varier fortement lorsqu'on modifie le réglage de l'étage d'entrée.

les 3 secrets du bon fonctionnement des duplexeurs

modification du duplexeur R2000 "Câbles de Lyon"

la logique (by F6GSG)

La réalisation d'une logique de relais radio-amateur est en général assez simple. Cela consiste au minimum a gérer une détection de porteuse et de commander la mise en marche de l'émetteur pendant un certain temps.

Pour la réalisation du relais F1ZGU, le choix s'est porté sur la réalisation d'une logique autour d'un microcontrôleur qui assure:

- La gestion de la présence porteuse.

- La gestion du 1750 Hz.

- La commande TX de l'émetteur.

- La gestion des messages CW.

- La gestion de messages Vocaux.

- La gestion des "timing" du relais (Temps d'émission, Anti-bavard....)

  • synoptique

synoptique format JPG

La carte de contrôle est organisée autour d'un circuit de chez ATMEL le AT89S53, c'est un microcontrôleur de la famille 51 qui possède 12K de programme en mémoire flash et beaucoup d'entrées sorties....

Il est programmé en BASCOM qui est un basic pour ce type microcontrôleur, il utilise un bus I2C pour piloter certains éléments périphériques:

- un DS1307, circuit horloge temps réel de chez DALLAS.

- un 24C08, une mémoire EEPROM qui conserve les données de paramétrage.

Il pilote directement un afficheur LCD de 2 lignes de 16 caractères.

il décode les données DTMF grâce à un décodeur MT88700 de chez MITEC et la détection du 1750 Hz est assurée par un classique NE567.

La gestion du reset est assurée par un DS1232 (encore DALLAS).

Les messages vocaux sont assurés avec un ISD2590 de chez ISD.

  • schéma électronique

schéma électronique format jpg

schéma électronique format drw (windraft)

photo de la maquette

 

vue d'ensemble

Le relais en cours de construction: photographie

Le relais terminé: photographie

 

la couverture prévisionnelle du relais VHF F1ZGU

La couverture prévisionnelle est établie à l'aide du logiciel gratuit Radio Mobile développé par VE2DBE. Les résultats donnés par un logiciel professionnel sont tout à fait comparables. Le seul défaut est imputable, non pas au logiciel de calcul, mais à la qualité des données (gratuites), qui ne donnent une résolution limitée à 30'' d'arc, soit environ 1 km.

télécharger le logiciel gratuit Radio Mobile

télécharger les données cartographiques gratuites

la couverture prévisionnelle du relais VHF F1ZGU

Les aspects administratifs : 

La fonction de responsable de relais est accessible aux titulaires d'une autorisation de classe 1 ou 2 (pas aux classes 3, indicatifs en F0...). Le relais doit transmettre son indicatif, sa fréquence et sa position géographique. Le projet doit être compatible avec les installations existantes et ne pas provoquer de brouillages.

La déclaration d'un relais à l'ART est une formalité obligatoire mais simple: il suffit de téléphoner à l'ART, service radioamateurs, pour demander l'imprimé, puis de retourner celui-ci correctement rempli. L'autorisation arrive environ trois semaines plus tard. La démarche est gratuite.

En fonction de leur situation géographique, les relais sont susceptibles de couvrir des zones très étendues. Le nombre de canaux utilisés par les relais étant de 16 (au pas de 12,5 kHz), il est nécessaire de choisir avec soin le canal employé et de vérifier que le nouveau relais n'apportera pas de gêne sérieuse à ses voisins cofréquents. Il est donc fortement conseillé de prendre contact avec la CNRR (Commission Nationale des Relais Radioamateurs) et de suivre son avis. De nombreuses régions ne permettent plus d'accueillir de nouveaux relais VHF.

L'ART a récemment rappelé que la déclaration des stations radioamateurs à l'Agence Nationale des Fréquences n'était pas nécessaire, y compris dans les zones de groupement (procédure COMSIS). Toutefois, pour ménager de bonnes relations et éviter les surprises, il est recommandé d'informer les services locaux de l'ANFR lors de l'établissement d'un relais.

L'équipe projet :

Les principaux contributeurs au projet ont été:

  • pour la partie logique: un pro du domaine, Patrick, F6GSG             mail(1).gif (160 octets)
  • pour la transformation du duplexeur: la gentillesse et le savoir faire de Gérard, F9YA
  • pour la partie radio, un nouvel indicativé (HI!), Jean-François, F4DAY          mail(1).gif (160 octets)

Questions fréquentes (FAQ)

Q : Je reçois parfaitement le relais F1ZGU, ma puissance d'émission est correcte, mais je n'arrive pas à enclencher le relais.

R : Le relais F1ZGU fonctionne dans le nouveau plan de fréquence IARU à 12,5 kHZ. Son récepteur est équipé d'un filtre à quartz professionnel correspondant à cet espacement entre canaux, c'est à dire dont la largeur de bande est de 7500 Hz. Il faut vérifier votre fréquence exacte d'émission au moyen d'un fréquencemètre digital correctement étalonné et procèder aux ajustements nécessaires.

Q : J'ai des reports de modulation mauvais. Il arrive même que le relais interrompe sa retransmission alors que je suis en émission.

R : Votre émetteur génère probablement une excursion trop importante. Le réglage est simple et nous vous proposons une méthode : méthode de réglage de l'excursion.

 

quelques sites généralistes

http://www.jackdaniel.com/duplex.htm

http://www.kuggie.com/rbtip/

http://www.g8sjp.demon.co.uk/pictures.htm

duplexeurs

SEITS http://seits.org/duplexer/duplexer.htm

Wacom http://www.wacomprod.com/

ARRL Antenna book

logiciel de prédiction de couverture radio

Radio Mobile, par VE2DBE

cartographie, au format DTED

sites officiels

Autorité de Régulation des Télécommunications : http://www.art-telecom.fr/

Agence Nationale des Fréquences : http://www.anfr.fr/fr/

associations

REF : http://www.ref.tm.fr/sommaire.html

CNRR : http://www.ref.tm.fr/cnrr/la_cnrr.html

Union des Radioclubs : http://www.cfrr.org/urc/

ARRL : http://www.arrl.org/

 

 

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