Station d'émission-réception expérimentale           F6CRP   IN96KE        46°11'02" N  - 1°09'57" W

Dernière mise à jour le17/11/2003


Comprendre les bancs d'essai

 

l'ARRL publie des bancs d'essai effectués par son laboratoire dans le Connecticut. Elaborés selon des méthodes professionnelles, ils ne sont jamais discutés par les constructeurs et apportent un autre éclairage sur les performances des nos précieux joujoux. Ces essais, menés de manière homogène et cohérente, permettent d'établir des comparaisons entre matériels et parfois de faire voler en éclats certains préjugés ou réputations. Dans ce contexte, il est intéressant de comprendre précisément ce que les chiffres veulent dirent et comment cela peut se traduire dans votre station.

La sensibilité des récepteurs :
La sensibilité d'un récepteur est généralement définie comme étant le niveau d'entrée requis pour obtenir un certain rapport signal / bruit en sortie et dans nos esprits c'est l'aptitude qu'il démontre à détecter des signaux faibles.
Nous savons depuis longtemps que les mouvements aléatoires des électrons dans la matière produisent du bruit et la puissance du bruit est donnée par la célèbre formule : P = k t B
P = puissance du bruit en Watt
k = constante de Boltzmann 1,38 10-23
B = bande passante en Hz
T = température en °K
Cette formule ne serait pas d'un grand intérêt si elle ne faisait pas toucher du doigt une réalité physique qui va fixer une limite imprescriptible: Le bruit minimum dû à l'agitation thermique.
Car en effet, à une température donnée (20°C dans la station), avec une bande passante donnée (2400 Hz en SSB et 500 Hz en CW si vous avez les filtres idoines) le récepteur, enfin ses composants, vont générer un seuil de bruit, et les signaux arrivant à l'entrée du récepteur sous ce seuil ne seront pas détectés. On comprend facilement qu'en fonction des composants utilisés, des techniques conceptuelles mises en jeu, de la qualité de fabrication on obtiendra des récepteurs plus ou moins sensibles, c'est à dire des récepteurs dont le bruit propre est plus ou moins faible.

Pour le plaisir, calculons rapidement  la puissance du bruit dans une résistance, dans une bande passante de 2400 Hz à une température de 20 °C. P= 1,38 10-23 x 2400 x 293 = 9,7 10-18 W
PdBm = 10 Log ( 9,7 10-15 ) = -140 dBm
Donc, en clair, la puissance de bruit dans une modeste résistance vaut -140 dBm (décibel par rapport au milliwatt). Inutile d'espérer détecter un signal n'ayant pas une puissance supérieure, sauf à réduire la bande passante de votre récepteur ou à refroidir considérablement votre station. Tout ceci nous amène au concept de MDS :
Minimum Discernible Signal ou en français : signal minimum discernable.

Le MDS correspond au niveau d'entrée qu'il faut appliquer au récepteur pour produire un signal en sortie équivalent au niveau de bruit interne du récepteur
La différence entre le niveau théorique minimum (-140 dBm) et le MDS (-132 dBm) correspond au facteur de bruit du récepteur (8 dB). Ce facteur de bruit s'exprime en dB et indique le bruit fabriqué par le récepteur. Le facteur de bruit est appelé Noise Figure (NF) dans le monde  anglo-saxon.

On trouve dans les notices françaises une notation de la sensibilité exprimée en µV pour 10 dB (S+B)/B ce qui signifie qu'il s'agit du niveau du signal mesuré en µV qu'il faut appliquer à l'entrée pour provoquer une augmentation du rapport (signal + bruit)/ bruit de 10 dB en sortie du récepteur. Dans cette mesure on fait croître le signal d'entrée jusqu'à mesurer ces fameux 10 dB, il s'agit hormis quelques détails du même principe.
Etat du marché :
La majorité des récepteurs actuels ont des facteurs de bruit très bas (donc ils sont "sensibles") de l'ordre de 5 à 10 dB, ce qui est plus que suffisant pour les bandes décamétriques ou le bruit est très élevé. Il est bien évident que cette valeur est inacceptable pour un récepteur V/UHF sur des bandes où le bruit est faible, on demande maintenant de descendre sous le dB à une installation V/UHF, comme vous pouvez le constater, les exigences ne sont pas les mêmes. C'est la bande de fréquence utilisée qui devrait dicter la sensibilité requise au récepteur. Sur 80 m on peut se permettre d'avoir un récepteur de 30 dB de facteur de bruit (une patate en gros comme on le disait autrefois), sur 50 MHz 2 dB est une valeur maximum.
Nous allons le voir bientôt, il existe une antinomie entre la sensibilité et la dynamique d'un récepteur. Vouloir un récepteur très sensible expose à avoir un récepteur ayant une dynamique faible et réciproquement, une forte dynamique impose une sensibilité diminuée. Il faut donc trouver le compromis.
La dynamique d'un récepteur :
La dynamique d'un récepteur est définie comme son aptitude à tolérer de forts (très forts) signaux présents hors du "canal" reçu sans altérer les performances de celui-ci. Si le terme canal vous pose problème, remplacez-le par bande-passante. Pourquoi ? Parce qu'un récepteur fait appel, pour réaliser la fonction pour laquelle il a été conçu, à des éléments non linéaires (mélangeurs, amplificateurs etc.) et que ces ensembles stimulés par des signaux puissants vont nous réserver quelques surprises...

L'intermodulation deux tons :

Sous ce terme maintenant familier (les publicités ne parlent plus que de cela) se cache une des causes qui transforme un récepteur en cage à serins, voyons pourquoi.
Quand deux signaux
(d'où le nom, 2 tons) sont présentés à l'entrée d'un dispositif non linéaire, on retrouve en sortie de ce dispositif les signaux fondamentaux et les signaux somme et différence, tout le monde le sait, mais aussi un certain nombre de combinaisons d'ordre "n" appelés produits d'intermodulation. Il est bien évident que les sifflements que l'on va percevoir comme des gênes n'existent pas et découlent des non linéarités des différents étages du RX. On pourra avoir affaire à des produits du 2ème ordre, du 3ème ou du n ième ordre. 

Ci-contre, en image, le résultat. Deux signaux f1 et f2 se trouvent présents à l'entrée du récepteur. Ces deux signaux du fait des non-linéarités des certains étages vont donner naissance à deux autres signaux dans le cas des produits du 3ème ordre qui eux vont être bien réels et bien gênants. Ci-dessous, les valeurs de ces produits d'intermodulation du troisième ordre.

Fréquences à l'entrée

Produits d'intermodulation

f1 et f2

2 f1 - f2
2 f2 - f1
2 f1 + f2
2 f2 + f1
Voyons un exemple:
Deux stations puissantes émettent respectivement sur 14,120 et 14,130 MHz.  Les produits du 3ème ordre tomberont sur :
2 f1 - f2 = 14,110 MHz
2 f2 - f1 = 14,140 MHz
Les produits additifs seront largement hors bande.
Le point d'interception du 3ème ordre:
C'est devenu une référence publicitaire. On a commencé a en entendre parler dans les années 80, depuis il est mis à toutes les sauces. Très schématiquement voici comment cela se passe. l'IP3 (intercept point 3rd) est un point purement théorique et calculé, et exprimé en dBm.
Les courbes ci-contre, représentent la caractéristique entrée/sortie d'un système (ce peut être un amplificateur, un récepteur, etc.) pour la fondamentale et les produits d'intermodulation du 3ème ordre. La droite bleue représente la caractéristique de la fondamentale (enfin des fondamentales puisque pour produire de l'intermodulation il faut 2 signaux) et la rouge indique la valeur des produits du 3 ème ordre.  On le voit clairement, les produits d'intermodulation du 3ème ordre croissent beaucoup plus vite que les signaux d'entrée, c'est pourquoi les deux courbes finissent par se rejoindre (sur le papier du moins).  C'est aussi un coup de chance car la décroissance suivra la même pente et pour éliminer les signaux d'IMD3, il suffira de réduire l'amplitude des signaux présents à l'entrée ce qui sera facilement réalisé par un atténuateur. Vous saisissez mieux maintenant pourquoi cet accessoire est présent sur la face avant de votre jouet! Une autre bonne solution consiste à produire des étages ayant une IMD faible mais cela finit par coûter cher et l'objectif de MM Yaesu Icom et Kenwood, c'est de gagner de l'argent en fournissant le meilleur produit possible au prix le plus bas possible, cela impose des compromis. 
Mesure de l'IP3 :

Voici le principe de mesure de l'IP3. Deux générateurs produisent 2 fréquences f1 et f2. Celle-ci sont combinées, traversent un atténuateur variable, attaquent l'élément en test. La sortie de celui-ci est envoyée à un analyseur de spectre à partir duquel on va effectuer les mesures. l'IP3 est dérivé d'un calcul, on ne peut pas directement le visualiser sur l'écran de l'analyseur.
Les dynamiques :
On en distinguera deux, ce sont du moins celles qui sont présentées par le labo de l'ARRL. 
 
L'une, intitulée IMDDR3 prend en compte la dynamique du récepteur comprise entre le signal minimum discernable et l'apparition des produits d'intermodulation du 3ème ordre.  Dans le texte en anglais vous trouverez cette mention : 2 tones (20 kHz spacing) 3rd order Two tone IMD Dynamic Range.
L'autre, intitulée BDR pour Blocking Dynamic Range, évalue la dynamique entre le signal minimum discernable et le signal qui va provoquer une désensibilisation de 1 dB du récepteur.
l'IMD DR  :

Comme indiqué plus haut, cette mesure indique l'écart, en dB, entre le signal minimum discernable et la valeur des signaux qui provoquent l'apparition des produits d'intermodulation. Ces produits d'IMD vont faire apparaître dans votre récepteur des signaux qui n'existent pas et provoquer une joyeuse pagaille. Dans certains cas, nous n'avons plus affaire qu'à un gigantesque gargouillis d'où il est impossible d'extraire quelque signal que ce soit.
Si en introduisant 10 ou 20 dB d'atténuation, le phénomène disparaît, c'est que vous avez affaire à de l'IMD. C'est un défaut très gênant mais encore assez facilement éliminable. Pour réaliser cette mesure, à l'ARRL, on  injecte deux signaux espacés de 20 kHz et on cale le récepteur sur la fréquence d'un produit d'intermodulation, dès que  celui-ci apparaît, on relève le niveau du signal d'entrée, il suffit d'effectuer un petit calcul pour déterminer la dynamique.
Voici graphiquement ce que cela donne. Dans cet exemple, le MDS est de -132 dBm. Il faut injecter des signaux ayant une puissance de -50 dBm pour provoquer  l'apparition de produits du 3 ème ordre (dans la mesure, on attend que ces produits soient 3 dB au dessus du bruit), on calcule que la dynamique d'intermodulation vaudra :
-50 -(-132) = 82 dB
. Donc plus clairement cela signifie qu'à partir du moment ou des signaux, dans la bande écoutée, présentant cette puissance (-50 dBm) seront présents, votre récepteur intermodulera et vous créera des signaux  qui n'existent pas en réalité. Votre seul palliatif sera d'atténuer tous les signaux présents pour faire retomber les produits d'intermodulation sous le bruit.
L'ARRL considère que 95 dB est une excellente valeur et peu de transceivers actuellement atteignent ou dépassent cette valeur, parfois certaines valeurs anciennes s'avèrent largement supérieures à leurs cadets. On peut considérer que la dynamique d'intermodulation est un critère fondamental pour estimer la qualité d'un récepteur.

La BDR ou Blocking Dynamic Range :
La dynamique de blocage exprime la capacité d'un récepteur à maintenir sa sensibilité en présence de signaux très puissants sur différentes fréquences. Elle sera influencée par deux facteurs :
  • La saturation des étages
  • Le bruit de phase de l'oscillateur local
Retour sur le bruit de phase :

C'est un critère déterminant qui est souvent pudiquement passé sous silence tant est grande la difficulté de réaliser un oscillateur local propre. Aujourd'hui tous les OL sont basés sur des DDS intégrés dans une boucle de verrouillage et à y regarder de près les résultats en termes de bruit ne sont pas exceptionnels. Revenons quelques instants sur cette notion de bruit de l'OL. Voici le spectre de quatre types d'oscillateurs. On sait depuis longtemps que l'oscillateur à quartz est le plus pur, l'oscillateur LC offre un spectre encore très correct, où les choses commencent à se dégrader, surtout au niveau du pied de porteuse, c'est avec les synthétiseurs. Vous constatez qu'une certaine puissance de bruit apparaît et cette puissance de bruit va malheureusement interagir dans le processus de changement de fréquence. Plus le bruit de l'OL sera important plus ses effets néfastes vont se manifester. Le bruit de phase est quantifié en dBc/Hz ce qui traduit en langage courant signifie :
dB par rapport à la porteuse par Hz de bande passante . La mesure du bruit de phase n'est pas chose simple et à portée de l'amateur aussi faut-il faire confiance aux valeurs annoncées (quand elles le sont). Voyons graphiquement comment cela se traduit et comment on mesure ce bruit.
Voici le spectre d'un oscillateur (pas particulièrement propre). Pour mesurer son bruit de phase, on s'écarte de la raie principale (la porteuse) d'une valeur définie (10 kHz et 4 kHz pour l'ARRL) et on mesure la puissance du bruit. On fait cette mesure naturellement dans une certaine bande passante, il faut ramener la valeur de cette puissance à une bande passante de 1 Hz. (Plus la bande passante de mesure est importante, plus il "entre" de bruit.). Une fois muni des données essentielles (Puissance de la porteuse, puissance du bruit à 10 kHz ramenée à 1 Hz de bande passante) , il ne reste plus qu'à appliquer la relation suivante :
Avec Pn, puissance du bruit dans une bande passante de 1Hz et Pc, puissance de la porteuse.
  
Comment tout cela va-t-il influencer la qualité de réception ?

Si l'OL est bruyant (c'est à dire que la décroissance du bruit est faible quand on s'éloigne de la porteuse), ce bruit va se mélanger avec des signaux adjacents au canal écouté et tomber dans la bande passante du récepteur. Le résultat sera une augmentation du bruit du canal écouté  et qui dit augmentation du bruit signifie diminution de la sensibilité du récepteur. Ce phénomène si gênant s'appelle en anglais : Reciprocal Mixing (mélange mutuel ou réciproque). Si vous tentez d'écouter une station très faible au niveau du bruit et si une station puissante démarre à 10 kHz de votre fréquence de trafic, vous pouvez perdre cette station dans le bruit causé par le mélange mutuel. Si votre récepteur est doté d'un OL très pur ceci ne se produira pas. Evidemment on retrouve le même phénomène à l'émission, une station avec beaucoup de bruit de phase occupe un spectre plus important qu'une station sans.
La dynamique de blocage est quantifiée en mesurant la puissance de bruit d'un canal sans signal puis on injecte à 20 kHz le signal issu d'un générateur. La puissance de ce générateur est augmentée progressivement jusqu'à l'apparition d'un des phénomènes suivants:
  • Augmentation de 1 dB du bruit dans le canal écouté.
    Dans ce cas de figure, l'augmentation du bruit est consécutive au mélange du bruit de phase de l'Ol et du signal perturbateur, le récepteur désensibilise.
  • Diminution de 1 dB du bruit dans le canal écouté.
    Dans ce cas, il s'agit de la saturation d'un ou de plusieurs étages
Le bruit de phase est très perturbateur car dans le canal écouté les effets sont cumulatifs et il n'y a pas de moyen pour limiter cela contrairement à l'intermodulation ou il suffisait de réduire les niveaux à l'entrée du RX pour faire disparaître toute trace. Seule la conception peut nous mettre à l'abri, comme vous le constatez, la pureté spectrale de l'OL est un élément clef! Une bonne valeur de bruit de phase tourne autour de -120 dBc/Hz à 10 kHz.
Et pour synthétiser :

Voici la gamme dynamique de notre récepteur. Le signal minimum discernable se situe à un niveau de puissance de -132dBm, les produits d'intermodulation apparaissent quand au moins deux signaux ont une puissance de -50 dBm et le récepteur désensibilise ou sature pour un signal ayant une puissance de -30 dBm. La dynamique d'intermodulation (IMD DR) vaut :-50 -(-132) = 82 dB.
La dynamique de blocage quant à elle vaut : -30-(-132) = 102 dB. Les valeurs admises pour qualifier un bon récepteur aujourd'hui sont de 95 dB pour l'IMD DR3 et 120 dB pour la BDR (toutes deux à 20 kHz).
Les  émetteurs :
La puissance :

C'est loin d'être un critère important et quand vous achetez votre appareil, vous savez pertinemment s'il appartient à la catégorie QRP ou à la classe 100W.
Pureté spectrale :

Là ce n'est pas pareil ! D'une part votre appareil soit satisfaire à des normes (c'est pour cela qu'il subit une procédure d'agrément) et d'autre part vous ne devez pas gêner les autres radioamateurs ou utilisateurs du spectre par des rayonnements parasites excessifs. Tout émetteur sort ce genre de chose, il convient seulement de limiter ces rayonnement dits "non essentiels" à des valeurs acceptables. Sur cette capture à gauche, on constate une raie indésirée à -52 dB par rapport à la fondamentale (harmonique 2) ce qui satisfait plus que largement aux exigences légales et réglementaires. En général, il n'y a pas de surprise avec les équipements commerciaux sur ces points, les désagréments viennent quand les acheteurs ouvrent les vannes exagérément avec les amplificateurs dits linéaires mais qui ne le restent que peu de temps.
Mesure de distorsion deux tons (Two tone test IMD) : 

Il est intéressant de mesurer les produits d'intermodulation de l'émetteur, ne serait-ce que pour évaluer la perturbation que l'on va amener "aux autres" en créant nous même des signaux qui ne devraient pas exister. Cette mesure est réalisée par l'ARRL en injectant deux notes BF à l'entrée micro, l'une de 700 Hz et l'autre de 1900 Hz. S'il y a intermodulation, on devrait retrouver un certain nombre de raies parasites représentant les produits d'intermodulation d'ordre impair. (3ème ordre, 5 ème 7ème etc.). Vous pouvez observer sur cette figure les deux raies principales et les non désirées dues à des mélanges (2F1-F2 , 2F2-F1 etc.) La valeur retenue comme bonne situe à -25 db ces produits pour les ordres les plus bas. Plus l'ordre croît, naturellement meilleurs sont les résultats. L'ARRL teste en USB et LSB et présente le cas le plus défavorable.
Suppression de la bande latérale indésirée :

Pas de surprise ici non plus, tous les émetteurs testés répondent correctement aux spécifications
Mesure du bruit de phase :

Cette mesure est particulièrement importante, voir ce qui a été écrit sur le sujet un peu plus haut. Comme déjà souligné, les mêmes effets perturbateurs se produisent à l'émission et un bruit de phase important va se traduire par du bruit sur la bande pour vos congénères. D'autre part, cette mesure va vous donner une bonne idée des performances que vous pouvez espérer de votre récepteur car c'est le même OL qui est utilisé. L'ARRL mesure le bruit de phase composite qui intègre également le bruit d'amplitude.
Quels enseignements tirer de tout cela ?:
  • Tout d'abord que les chiffres, c'est bien mais que rien ne remplace un test réel, dans une bande chargée comme le 40m le soir vers 22H avec si possible un récepteur que l'on connaît bien comme récepteur de référence. On a une idée "in situ", idée qu'aucune valeur chiffrée ne pourrait restituer. J'ai écouté des récepteurs merveilleux sur le papier que j'ai trouvé extrêmement désagréables à utiliser plus d'une heure.
  • Il est rare de trouver un récepteur qui excelle partout et offre les meilleurs résultats dans tous les domaines, il faut donc hiérachiser ces critères. On voit qu'un récepteur intermodulera bien avant d'atteindre la saturation ce qui veut dire que la dynamique d'IMD est certainement plus révélatrice en termes de potentiel que la dynamique de blocage.
  • D'autres critères importants et plus subjectifs comme la qualité de la BF etc ne sont pas pris en compte, c'est à chaque utilisateur de faire son expérience
Maintenant que tout cela a été écrit, il ne reste plus qu'à passer l'épreuve du feu en consultant ces chiffres
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