Jean-François FOURCADIER
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Exciter 70 MHz simplifié pour émission de Télévision Numérique Amateur

 

Les émetteurs de télévision numérique font généralement appel à une chaîne de traitement du signal complexe. Il est cependant possible de simplifier considérablement celle-ci pour ne conserver que les fonctions essentielles. Nous décrirons ici un petit boîtier capable de génerer un signal de télévision numérique à partir de séquences vidéo préparées et enregistrées sur le disque dur d'un ordinateur.
Pour conserver une structure de filtre simple et améliorer de manière significative la performance en matière d'interférence inter-symboles il a été développé spécialement pour cette réalisation un procédé, original et très facile de mise en oeuvre, de prédistorsion des signaux modulants.

Fonctionnalités et synoptique de l'exciter

L'exciter délivrera un signal radiofréquence à 70 MHz qu'il suffira de transposer dans la bande amateur 1240 MHz - 1300 MHz pour le rendre compatible avec les récepteurs numériques grand public FTA à la norme DVB-S. Le signal RF sera modulé au moyen d'une modulation à quatre états de phase (QPSK) et le débit binaire sera fixé à 2,048 Mbit/s (débit binaire E1 normalisé en télécommunications).

Côté signaux d'entrée, un connecteur DB25 accueillera les données à émettre: transmission de la demande d'un nouvel octet de données à la source et accueil de l'octet à émettre. La source de données pourra être constituée:

- soit d'un ordinateur dédié de type PC, avec raccordement direct sur son port parallèle. L'ordinateur permet de stocker plusieurs dizaines de Mo de données qui pourront représenter des séquences vidéo animées de plusieurs minutes (vidéo et audio),
- soit d'une "cartouche" comprenant une EPROM (et de quelques circuits assurant le balayage des adresses). L'EPROM pourra par exemple contenir une mire avec une animation sommaire et un signal audio,
- soit, ultérieurement, d'une carte "Compact Flash" qui permettra le stockage de plus d'un quart d'heure de transmission vidéo+audio ininterrompue.

L'ensemble de l'exciter sera logé dans un boîtier en fer étamé (boîtier Schubert) de 148 x 74 x 30 mm. Il sera alimenté sous une tension continue de 12 V, le courant absorbé étant d'environ 180 mA.

Le sérialisateur

Fonctionnalités

Le sérialisateur demande successivement à la source de données (ordinateur ou "cartouche") les octets à transmettre. Ceux-ci sont découpés en paquets de deux bits (dibits) par le sérialisateur afin de représenter un point parmi quatre dans la constellation QPSK. Le sérialisateur contient l'horloge bit "maître" et génère les différentes horloges système: demande d'un nouvel octet toutes les 3,906 µs, présentation au modulateur QPSK d'un dibit toutes les 0,977 µs. L'horloge maître intégrée dans le module sérialisateur fixe très précisément à 2,048 Mbit/s le débit binaire sur la voie radio (soit une rapidité symbole de 1,024 MBaud).

Le sérialisateur sera de plus doté de fonctions annexes utiles pour le réglage du modulateur QPSK et le contrôle de la modulation: il pourra à la demande générer deux signaux I et Q en quadrature avance ou retard, ou bien un signal modulant pseudoaléatoire.

A noter que le sérialisateur élabore également, en sus des signaux modulants I et Q, deux signaux auxiliaires I* et Q* dont le but est d'apporter une correction à la réponse indicielle des filtres de Nyquist sommaires qui sont situés sur le circuit imprimé du modulateur QPSK. On verra que l'on obtient ainsi à moindre coût une amélioration substantielle de l'interférence intersymboles.

Principe de fonctionnement du sérialisateur

Deux registres de 8 huit bits A et B sont connectés alternativement, toutes les 3,906 µs, sur le port parallèle d'un ordinateur. Ces registres accueillent les données qui sont fournies par l'ordinateur. Ces deux registres sont en même temps lus, deux bits par deux bits, toutes les 0,977 µs et le dibit ainsi obtenu est présenté sur le modulateur QPSK pour former un point parmi quatre de la constellation.

 


Amélioration de l'interférence inter-symbole par prédistorsion des signaux modulants I et Q

Pour apporter une correction à la réponse globale du filtre de canal (filtre de Butterworth du 5ème ordre à l'émission + racine de cosinus surélevé à la réception), il faut de plus créer et appliquer au modulateur QPSK le couple de signaux de prédistorsion I* et Q* qui minimise l'interférence inter-symboles. Après étude approfondie du phénomène, il ressort que les signaux de correction I* et Q* doivent être des signaux précurseurs, de niveaux inversés par rapport à leurs référents I et Q et présentant une avance d'une durée symbole.

Nous verrons plus bas que cette disposition très simple à mettre en oeuvre (en fait deux fils et deux résistances de pondération à ajouter au montage) apporte une amélioration spectaculaire de l'interférence inter-symboles.

Réalisation pratique du sérialisateur

- schéma électrique

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(cliquer pour ouvrir le schéma)

Le schéma nécessite peu de commentaires. Les composants principaux sont au nombre de deux: un CPLD d'entrée de gamme Altera EPM7064SLC44-10 et un oscillateur à quartz de 8,192 MHz. Les CPLD étant des composants "nerveux", on s'appliquera à effectuer avec soin les découplages d'alimentation au moyen de plusieurs condensateurs CMS de 2,2 nF et de 100 nF. Le circuit imprimé est conçu comme celui d'un circuit HF: un plan de masse en partie supérieure et de nombreuses connexions traversantes. Pour des raisons de simplicité de réalisation du circuit imprimé (une face et demi), il subsistera quelques raccordements à effectuer soigneusement au moyen de fil isolé de faible diamètre. Un régulateur 5 V assure la stabilisation de la tension d'alimentation.
Un cavalier permettra de choisir un mode de fonctionnement parmi cinq: trois modes de réglage (quadrature avance, quadrature retard, générateur pseudo-aléatoire), un mode d'exploitation (entrée externe DB-25) et un mode porteuse pure, obtenu en retirant simplement le cavalier. Il est éventuellement possible de raccorder directement un commutateur (un circuit-cinq positions) sur ces entrées pour choisir le mode de fonctionnement souhaité depuis le panneau avant de l'émetteur.
Attention à ne pas inverser les fils I* et Q* ! La correction ne serait pas appliquée convenablement !

- circuit imprimé

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téléchargez le circuit imprimé au format Eagle ou .bmp (33 ko zippés)

 

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Configuration du CPLD, schéma logique

Le schéma logique est visualisé en ouvrant le fichier "serialisateur2.gdf", fourni plus bas, au moyen du logiciel Maxplus+ II de Altera. Le schéma logique comporte six grandes parties:

- un sérialisateur dont la pièce maîtresse est un double multiplexeur à 8 entrées et 2 sorties. Son schéma reprend le synoptique du sérialisateur vu plus haut,
- un générateur pseudo-aléatoire qui fournit sous forme série une suite de 32767 bits. Il est suivi d'un désérialisateur qui produit les groupes de 2 bits IQ,
- un générateur de signaux quadrature avance et quadrature retard,
- un multiplexeur à 5 entrées et une sortie qui permet d'effectuer le choix de la source de données à partir des informations de sélection de mode,
- deux bascules de sortie qui, par leur fonctionnement synchrone, garantissent le timing précis des signaux. Une bascule est utilisée pour produire les signaux logiques de prédistorsion I* et Q*, l'autre pour délivrer les signaux I et Q.
- enfin une échelle de comptage synchrone fournit les divers signaux d'horloge nécessaires au fonctionnement de l'ensemble.

Programmation

Le transfert de la configuration s'effectue au moyen du logiciel Maxplus+ II et du programmateur "ByteBlaster". Ce dernier est connecté d'une part sur le port parallèle d'un ordinateur PC, d'autre part sur le connecteur à 10 broches situé sur le circuit imprimé sérialisateur. Le programmateur "ByteBlaster" et la procédure de transfert ont déjà été décrits dans un article précédent. Le transfert est très rapide, il s'effectue en quelques secondes.

Le modulateur QPSK

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Le modulateur QPSK a déjà été entièrement décrit (schéma, circuit imprimé, réglages) dans un article précédent auquel le lecteur pourra se reporter.

Réalisation de l'exciter et interconnexion entre les circuits

Les deux circuits imprimés sont fixés dans un boîtier Schubert de 148 x 74 x 30 mm. Les deux régulateurs de tension 7805 sont placés contre la paroi du boîtier qui fait ainsi office de radiateur. Un condensateur de traversée de 1 nF assure le passage du + 12 V de l'alimentation. Une prise DB-25 mâle accueille les octets à émettre qui proviennent, soit d'une cartouche contenant une EPROM, soit du port parallèle d'un ordinateur de type PC. La prise DB-25 achemine également le signal de contrôle de flux qui est transmis sur le fil Ack. Le câblage de la prise DB-25 respecte le standard adopté pour les ports parallèles d'ordinateurs.


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Bien faire attention à ne pas inverser les fils transmettant les signaux de correction I* et Q* (et également les fils I et Q auxquels ils se rapportent). La correction ne serait plus assurée et le remède serait même plus grave que le mal !

Signaux obtenus à l'aide du générateur de signaux test intégré

L'absence de cavalier produit en sortie une porteuse pure à 70 MHz. Les deux premières positions du cavalier correspondent aux signaux de réglage du modulateur QPSK quadrature avance et quadrature retard. On doit dans ces conditions obtenir respectivement une raie à + 256 kHz, et à - 256 kHz de la porteuse. La position suivante produit un signal de test pseudo-aléatoire, dont le spectre est semblable à celui d'une émission de télévision numérique. Enfin la dernière position autorise l'entrée des données à émettre sur le connecteur DB-25.

 
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(cliquer sur les vignettes pour les agrandir)

La constellation

Il a été possible de connecter cet exciter 70 MHz QPSK sur un appareil professionnel qui permet de visualiser la constellation telle qu'elle est vue par un récepteur satellite numérique grand public (filtrage en racine de cosinus surélevé, alpha = 0,35). En transmettant une séquence pseudo-aléatoire au moyen du générateur de signaux test intégré on visualise la constellation.

Voici ci-après la constellation obtenue sans mise en oeuvre de la prédistorsion, c'est à dire avec I* et Q* inopérants (entrée logique I* reliée à l'entrée logique I et entrée logique Q* reliée à l'entrée logique Q):

L'interférence intersymboles est relativement importante. On peut déceler que chaque point de la constellation est en fait constitué de quatre groupes de points.

En connectant maintenant la prédistorsion (c'est à dire en connectant les entrées I* et Q* en sortie du CPLD), on constate une amélioration spectaculaire de l'interférence inter-symboles:

Le résultat optimum est obtenu en prenant pour les résistances de pondération R29 et R30 du modulateur QPSK une valeur de 1,5 kohm.

 

Le raccordement à un ordinateur

Le raccordement sur le port parallèle d'un ordinateur s'effectue au moyen d'un câble court muni de deux connecteurs DB-25: un connecteur mâle à une extrêmité, un connecteur femelle à l'autre. Le câble doit comporter au minimum 10 fils et sa longueur ne doit pas excèder 60 cm sous peine d'affecter la transmission des signaux rapides (un octet transite en effet dans le câble toutes les 3,9 µs).

Logiciel et fichiers

L'ordinateur PC doit stocker sur son disque dur les données à émettre, puis les transfèrer en RAM avant toute transmission, ceci pour un accès plus rapide. Afin d'assurer un contrôle du flux de données, l'ordinateur doit en outre scruter le fil Ack de son port parallèle et présenter un nouvel octet à chaque changement de niveau logique sur Ack. Pour ces raisons, il est nécessaire d'implanter un petit logiciel de gestion et de dialogue à l'intérieur du PC. Les informations relatives au système d'exploitation et au logiciel ont déjà été données dans un article précédent.

Les fichiers vidéo sont élaborés à l'aide du logiciel Manzanita (gratuit en version démonstration) et du logiciel TS188ToIQ.exe écrit par Evariste, F5OEO. Les détails de confection des fichiers ont également été fournis dans un article précédent.

Le lecteur pressé de visualiser des images trouvera ci-après un fichier IQ, prêt à l'emploi, représentant une mire de barre.

 

télécharger le fichier mire de test "test.psk" (333 ko zippé)

NB : le fichier ci-dessus fournit des données IQ prêtes à être injectées dans le sérialisateur. Il est prévu pour un débit binaire de 2,048 Mbit/s sur la voie radio, S/R = 1,024 MBaud, FEC = 1/2. Le débit vidéo est de 800 kbit/s. Le fichier représente une mire de barres et une petite animation pour permettre la détection des gels d'images. Sa durée est de 2 secondes. Pour une transmission continue, il est nécessaire de boucler logiciellement sa fin sur son début.

Transmission d'images de télévision numérique

L'objectif final est bien entendu de créer un véritable émetteur numérique qui fera appel au présent exciter à 70 MHz, à une transposition, à un filtrage et enfin à une amplification RF.

On peut cependant dès à présent commencer à visualiser des images en connectant la sortie de l'exciter sur un simple mélangeur équilibré complèté par un oscillateur génèrant une oscillation locale à F-70 MHz ou à un de ses sous multiples. Ainsi un oscillateur à 300 MHz avec un niveau de sortie de + 7 dBm pourra battre avec le signal issu de l'exciter à 70 MHz pour générer un signal à (300x4) + 70 = 1270 MHz. Le niveau d'émission n'est pas très important, mais une petite antenne connectée directement en sortie du mélangeur permet déjà de transmettre le signal de télévision numérique à quelques mètres.

 

 

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Le boîtier Teko ci-dessus, muni de trois connecteurs BNC, contient un simple mélangeur équilibré SRA-1. Voilà un accessoire utile !

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Vite, branchons l'ordinateur, paramètrons le récepteur numérique FTA Pyxis, et..... voilà le résultat !

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Conclusion

Ce petit exciter 70 MHz sans prétention ne fait appel qu'à des composants répandus et peu coûteux. Avec un peu de soin, la réalisation des circuits imprimés est accessible à tous avec des moyens entièrement amateur (imprimante jet d'encre pour les typons, bac horizontal et perchlorure de fer pour la gravure). Le résultat est un ensemble permettant de commencer à réaliser des expérimentations personnelles intéressantes dans le domaine de l'émission de télévision numérique amateur. La description de la "cartouche" de données fera l'objet d'un prochain article. L'ensemble sera alors autonome.

 

 

allumons nos fers à souder !

 

73 de Jean-François FOURCADIER, F4DAY

 

 

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