Le HSTRX_3: Architecture

Objectifs

Dans cette partie nous allons décrire des architectures de TRX super-hétérodynes à simple changement de fréquence ( Atlas 210X, Bitx40, Vexin de F6FEO) . Ensuite nous décrirons l’architecture choisie pour le HSTRX.

L’Atlas 210X.

L’atlas 210X, dont j’ai la chance de posséder un exemplaire fonctionnel et non modifié est un TRX qui a connu beaucoup de succès à sa sortie (au début des années 1970) chez les utilisateurs, mais aussi chez les passionnés de construction. Le manuel est de bonne qualité, les plan précis et les schémas bien expliqués. Récemment un radioamateur d’origine roumaine m’expliquait que à la sortie de l’Atlas 210X les jeunes radioamateurs roumains ont récupérés les plans et construit plusieurs variantes ( dont certaines avec un étage de puissance à lampes).

On trouve sur le net des pages qui lui sont dédiés, comme ici : chez F6CRP ou meme ici chez f1org .En anglais on trouve le site de PAOFRI qui décrit un ensemble de modifications pour améliorer certains points faibles de l’appareil. Michel F6FEO à construit un TRX inspiré de l’Atlas 210X, mais comportant quelques améliorations et simplifications c’est le Normandy .

Nous décrirons précisément le fonctionnement de l’Atlas 210X, et les autres appareils seront décrit principalement au niveau des différences, des avantages et inconvénients qu’elles apportent comparativement à l’Atlas.

Synoptique:

 

Pour l’ensemble des synoptiques, nous allons utiliser le code couleur suivant:

Rouge : modules qui servent à la fois en émission et en réception, donc totalement réutilisés.

Bleu : Modules qui ne servent que en émission 

Vert : Modules qui ne servent que en réception 

Pour comprendre comment ce TRX fonctionne, vous allons suivre un signal reçu, par exemple sur la bande des 20 mètres, à 14101khz.

Fonctionnement en réception

On rentre sur le module 1 « Low-Pass filter », en réalité il n’y a pas qu’un seul mais plusieurs filtres, et c’est celui correspondant à la bande reçu qui est sélectionné. donc ce qui sort de ce premier filtre c’est les signaux des basses fréquences jusqu’à la fin de la bande des 20 mètres. C’est un module utilisé en émission comme en réception.

On arrive sur le module 2 « REC INPUT FILTER » qui correspond au filtre de bande. Ce filtre aussi appelé « présélecteur ». Ce filtre permet de n’envoyer vers le mélangeur que les signaux de la bande que l’on cherche à écouter. Cela permet par exemple d’éviter que le mélangeur soit saturé par des signaux puissants hors bande, ou même qu’il mélange, via les harmoniques de l’oscillateur local, des signaux placés plus haut en fréquence. Mais surtout on évite qu’il reçoive aussi la fréquence image non désirée ( ces problèmes de fréquence image sont détaillés dans cette présentation de Joël  F6CSX ) . La aussi nous avons un filtre différent pour chaque bande.

On arrive ensuite sur le mélangeur  3 « 1 st bal mixer », ce mélangeur va mélanger  le signal reçu à 14101 kHz  avec un OL (Oscillateur Local)  à 8455khz ce qui va produire en sortie un signal composé de deux fréquences:

La fréquence somme 14101 + 8455 = 22556khz

La fréquence différence 14101 – 8455 = 5646khz.

Le signal est alors amplifié par un premier amplificateur de fréquence intermédiaire 4 « Low noise IF Amp », afin de l’amplifier d’environ 20dB. Le signal est ensuite filtré étroitement dans le filtre à quartz 5 « 8 pole ladder filter » ( 2.4khz de bande passante ), qui éliminera à la fois la fréquence image à 22556khz et la bande latérale inférieure.

à la sortie de ce filtre à quartz, le signal est à nouveau amplifié ( d’environ +40dB) par un second amplificateur de fréquence intermédiaire  6 « IFQ201 AMP » puis est ensuite injecté dans le second mélangeur  7 « 2nd BAL MIXER », ou il est mélangé avec une fréquence de 5645Khz, ce qui donne en sortie 2 fréquences.

5646 + 5645 =   11291Khz.

5646 – 5645 = 1Khz.

Le module 16 « A.F Q301 AMP » n’amplifiera que la fréquence la plus basse, et ce signal de 1khz sera celui entendu par l’opérateur.

Fonctionnement en émission

En émission plusieurs modules utilisés en réception serons réutilisés.

Nous supposerons qu’un signal BF de 1Khz est capté par le micro.

Le signal issus du micro sera amplifié par le module d’amplification BF 14 « MIC AMP Q202 » , il sera ensuite injecté dans le premier mélangeur 3 « 1 st bal mixer » pour être mélangé avec une fréquence de 5645kHz, deux fréquences en sortirons.

5645 + 1 = 5646khz.

5645 – 1 = 5644khz.

Ces deux fréquences serons ensuite amplifiées par  le module  4 « Low noise IF Amp », et le signal résultat sera présenté au filtre  5 « 8 pole ladder filter » ce qui va avoir pour effet d’éliminer la fréquence basse ( 5644khz) aussi appelée LSB. Seule la USB à 5646khz arrivera au deuxième amplificateur de fréquence intermédiaire 6 « IFQ201 AMP » 

Le signal amplifié sera alors injecté dans le 2e mélangeur  7 « 2nd BAL MIXER ». Il sera mélangé avec un signal de 8455khz, ce qui va produire en sortie 2 fréquences:

5646 + 8455 = 14101khz ( qui est la fréquence que nous cherchons à obtenir en émission).

8455 – 5646  = 2809khz ( qui est un produit de mélange indésirable).

Ce signal est ensuite envoyé dans le module 10 « TRANS INPUT FILTERS » qui se chargera d’éliminer le produit de mélange indésirable à 2809kHz tout en laissant passer celui à 14101kHz. La aussi nous aurons un exemplaire différent de ce filtre dédié à chaque bande de fréquence.

les étages 11 « Q501-502 PREAMP » , 12 « Q503 DRIVER » et 13 « Q504-505 PWR AMP » ont pour fonction de progressivement amplifier le signal à émettre pour l’amener à la puissance requise.

Dernier module important, le filtre passe bas de sortie  1 « Low-Pass filter ». Il est indispensable pour nettoyer la sortie de l’étage de puissance. Ces amplificateurs sont en effet des amplificateurs en classe AB, voire en classe B qui produisent un nombre important d’harmoniques. Dans notre cas des harmoniques serons produit à :

14101 * 2 = 28202 kHz, donc en plein dans la bande des 10M.

il y aura aussi un harmonique de rang 7 à 14101 * 7 = 98707 kHz.. donc dans la bande des radios FM. Si on continue a monter on trouvera des harmonique dans la bande aviation, et puis dans des fréquences de réception TV.  Donc ne pas filtrer ces harmoniques, c’est entraîner des perturbations non négligeables sur d’autres bandes et services. La réglementation impose un niveau maximal de -50dBc pour les harmoniques, ce qui signifie que leur niveau de puissance doit être tout au plus à -50dB ( 100 000 fois plus faibles) que le niveau de la fondamentale ( fréquence ou l’on cherche à émettre).

Quelques remarques

Les 3 filtres décrits 1 « Low-Pass filter », 2 « REC INPUT FILTER », 10 « TRANS INPUT FILTERS » devrons être adapté à chaque bande, ce qui signifie qu’on aura autant de version de ces filtres qu’on devra supporter de bandes radioamateur. Si on doit gérer 5 bandes comme sur l’Atlas 210X il faudra 3 * 5 = 15 filtres avec tout un système de commutation.

Quand on passe d’émission à réception on doit intervertir les oscillateurs appliqués aux mélangeurs. Dans notre exemple:

Réception :  8455kHz sur le premier mélangeur et 5645kHz dans le second mélangeur

Emission :   5645kHz   sur le premier mélangeur et 8455kHz dans le second mélangeur

C’est le module 15 qui réalise cette inversion.

J’ai volontairement évité de trop rentrer en détail sur tout ce qui touche au fonctionnement LSB/USB et j’ai totalement occulté que tout ce qui touche à l’AGC.

Quand les mélangeurs, les amplificateurs HF,  et le filtre a quartz sont réutilisés en émission et réception, nous avons alors un appareil dit à FI bilatérale.

 Cet appareil ne possède aucun préamplificateur avant le premier mélangeur. C’est un choix qui à un peu surpris à l’époque car éloigné des usages, mais le facteur de bruit que doit assurer un TRX pour les bandes décamétriques ne nécessite pas de pré-amplification (contrairement aux bandes VHF et UHF), et pire elle dégraderais les performances de l’appareil en réduisant sa dynamique.

Le Bitx 40

Voila la page descriptive de cet appareil vendu en kit.

Synoptique:

Ici nous n’avons pas de FI Bilatérale mais un TRX construit avec des amplificateurs bi-directionnels, c’est à dire qu’ils sont capables de marcher dans un sens mais aussi dans l’autre.  Ainsi quand l’appareil passera d’émission à réception le signal passera dans la même chaine FI, mais en changeant de sens de parcours. Dans la réalité ces amplificateurs bidirectionnels sont composés de deux amplificateurs dont un seul est actif à un moment donné.

Cette architecture, coûteuse au niveau des amplificateurs ( vu qu’ils sont doublés ) amène cependant quelques avantages comparativement à un appareil à FI bilatérale.

  •  Il n’est plus nécessaire de permuter les deux oscillateurs quand on passe d’émission à réception, ce qui économise le module destiné à cette fonction.
  • Le filtre 1 « BPF »  est utilisable en émission comme en réception, alors qu’il y a deux filtres indépendants dans l’Atlas 210X pour réaliser la même fonction.

C’est un TRX mono-bande que l’on peut cependant facilement convertir en multibande,  il suffit d’avoir plusieurs filtres  1 « BPF » commutables ainsi qu’il filtre 7 « LPF » lui aussi commutable.

Julien F4HVX a réalisé ces transformations sur le sien, sans rencontrer de problèmes importants.

Cette transformation est d’autant plus simple que les modèles récents sont dotés d’un DDS Si5351, ce qui permet de balayer en fréquence toutes les bandes HF.

Dans les points négatifs je remarquerais l’amplificateur en entrée ( modules 17 et 10 ), qui réduit sensiblement le niveau maximal admissible par le front end. Rajouter +20dB d’amplification avant de rentrer sur un mélangeur qui commence à compresser vers 0dBm c’est avoir un récepteur dont le niveau maximal admissible plafonne aux alentours de -20dBm, soit 22mV efficace !. Bien qu’on utilise un mélangeur à diode en anneau, on se retrouve avec un niveau admissible en dessous de celui qu’offre un Ne602.

Et ceci sans oublier les produits d’intermodulation fabriqués par le pre-amplificateur lui même.

J’imagine que le concepteur a fait ce choix pour s’offrir un pre-driver en émission et un préamplificateur HF en réception pour le « même prix », mais ça se paie.

D’ailleurs sur son nouveau TRX, le uBitx  ( que nous ne détaillerons pas car à 2 changements de fréquence), il n’a pas repris ce choix.

Le Bitx40 est un appareil qui n’est pas facile à modifier car en SMD, mais une modification intéressante pourrait être de  déplacer cet amplificateur placé avant le mélangeur après le filtre à quartz (et donc passer à +40dB en 2e FI) , de réduire l’amplification BF du micro en émission, et de rajouter un peu d’amplification sur le driver.

Autre choix dommageable mais qui s’explique par l’historique, c’est celui d’avoir gardé un BFO  analogique alors que le TRX est maintenant fourni avec un Si5351 capable de délivrer 3 sorties indépendantes. L’auteur a certainement voulu modifier la conception originelle « à minima », sans tirer profit de toutes les possibilités amenées par le DDS.

Nous avons ici un appareil à FI bidirectionnelle ( qui peut donc être parcourue dans les deux directions)

Le Vexin

Construction de Bernard F8EOZ

C’est un TRX mis au point par Michel F6FEO, et construit par plusieurs OM depuis.  La base dont est parti Michel est  un kit polonais .

Voici la page descriptive du Vexin chez f6evt. Ainsi qu’une réalisation totalement documentée d’un Vexin pour la bande des 40M par Bernard F8EOZ.

( cliquez pour agrandir)

C’est un TRX mono-bande. Michel a réalisé des versions spécifiques pour chaque bande, dont récemment une version fonctionnant sur la bande des 10M.

C’est aussi le modèle qui a servi de base à mon premier TRX pour la bande des 30M.

On a ici une architecture hybride entre l’Atlas et le BitX 40. Nous avons une FI bidirectionnelle comme sur le Bitx 40, mais tous les amplificateurs sont mono-directionnels comme sur l’Atlas 210X. Ceci a été rendu possible en amplifiant la FI uniquement en réception. Le prix à payer c’est une chaine FI qui n’est plus entièrement partagée entre l’émission et la réception. Le deuxième mélangeur ( modulateur en émission et détecteur de produit en réception), le VXO, le BFO et le filtre à quartz sont partagés. Mais le premier amplificateur FI et le mélangeur d’entrée ne sont pas communs pour l’émission et la réception.

Autre différence notable par rapport aux autres appareils, c’est l’utilisation de mélangeurs à base de mosfet à double grille en lieu et place des mélangeurs à diode en anneau. Ceci a pour avantage d’offrir un facteur de bruit plus faible, un gain de mélange au lieu d’une perte, mais la contrepartie est un niveau maximal admissible plus faible et moins de linéarité. De plus ce mélangeur n’étant pas équilibré, des produits indésirables de mélange plus difficiles à filtrer serons générés.

Tout ceci se voit assez bien sur le schéma.

C’est un TRX dont on pourrais faire des versions pour la bande des 6M, voire même éventuellement  pour celle des 2M, sans qu’il soit nécessaire de rajouter un préamplificateur de réception.

Le HSTRX

Pour le HSTRX j’ai décidé de partir sur l’architecture de l’Atlas 210X mais en tirant avantages de progrès matériel réalisés depuis, afin de simplifier la conception.

( Cliquez pour agrandir l’image )

Comparativement à l’Atlas 210X, voila les simplifications et améliorations apportées.

  • Utilisation d’un DDS Si5351. ( DDS_0 et DDS_1).
  • Fréquence FI élevée. (20 MHz)
  • Filtre de présélection ( BPF1) partagé entre l’émission et la réception, via un système de commutations ( comme l’a fait Michel F6FEO sur le Normandy).
  • Rajout d ‘un filtre ( BPF3) aprés le deuxième amplificateur FI pour filtrer le bruit large bande ( ainsi que les harmoniques) provoqué par le deuxième amplificateur de fréquence intermédaire.

Le DDS Si5351 permet la fréquence FI élevée, mais il permet aussi de travailler plus haut en fréquence, ainsi le HSTRX sera en supradyne pour toutes les bandes HF. l’Utilisation d’une FI à 20Mhz couplé à un oscillateur local qui va varier de 20MHz à 50MHz pourrait permettre de n’utiliser, en guise de  filtre de présélection ( 7 BPF1 )  qu’un simple filtre passe bas de 30Mhz commun pour toutes les bandes HF, ( la fréquence image à éliminer étant au minimum de 20 + 20 = 40Mhz). Les seuls filtres qu’il faudrait alors commuter seraient les filtres passe bas placés derrière le PA (  14 LPF  ). Cette facilité « possible » ne sera pas forcement utilisée au final, tout simplement car l’absence de filtre de présélection détériore les performances en réception ( un frond end de recepteur qui voit toute la HF produira plus de produits indésirables et de bruit que si seule la bande écoutée est reçue).

Je part donc sur un système de filtres interchangeable. Les filtres   14 LPF  et 7 BPF1 seront accessibles au dessus du TRX ( du moins dans un premier temps)  et faciles à démonter.  L’idée est de commencer à utiliser le TRX avec un seul filtre passe bas de 30MHz pour  7 BPF1 et ensuite de progressivement fabriquer des filtre de présélection pour chaque bande. 

Le DDS Si5351 permet aussi de se passer de toute l’électronique de commutation du LO/BFO quand on passe d’émission à réception, ainsi que de l’électronique de décalage en fréquence quand on passe de la LSB à l’USB. Toutes ces fonctions étant réalisées dans le logiciel embarqué au microcontrôleur ( arduino nano).

Le montage est à ce jour assez avancé, plusieurs modifications on déjà été effectuées suite aux échanges sur le forum de radioamateur.org . Une première version fonctionnant en récepteur des VLF jusqu’a la bande des 10M a été présentée sur le stand de l’ADRI38 à l’iséramat 2018 il y a quelques semaines.  Les prochains articles décrierons l’ensemble des modules actuellement réalisés, il y aura plus de photos et moins de texte.

Vous pouvez intervenir soit dans les commentaires ici, soit sur sujet dédié dans le forum de radioamateur.org 

David, F4HTQ.

 

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2 réponses à Le HSTRX_3: Architecture

  1. Grondin dit :

    Bonjour,
    Cet doc peut vous intéresser.
    Sur  » F6BLK.net « , voir  » F6EHJ corner « ,
    l’article  » intégration filtre 36 MHz dans une rampe FI  »
    73 QRO

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