Introduction

Que sont les VLF ?

Ce sont des ondes radio de très basse fréquence, elles partent des fréquences audio ( quelques khz) jusqu’en dessous des grandes ondes ( 137khz). Elles présentent plusieurs défauts par rapports aux ondes de plus haute fréquence, comme ceux d’être plus sensibles aux parasites, d’offrir peu de bande passante disponible (ce qui exclue les communications vocales), et de nécessiter de très grandes antennes pour être émises ( généralement de plusieurs centaines de mètres ).Elles présentent par contre plusieurs avantages qui les rendent irremplaçables dans de nombreuses utilisations :

• Elles sont très pénétrantes, et peuvent donc être reçues et émises sous l’eau (mer) ou sous de grandes profondeurs de sol. Elles sont donc abondement utilisées pour les communications vers les sous-marins militaires ou sur des systèmes de communication en spéléologie.

• Ce sont des ondes de sol, c’est-à-dire qu’elles se propagent en suivant la courbure de la terre. Elles peuvent ainsi être reçues à plusieurs milliers de kilomètres sans nécessiter de relais. C’est la raison pour laquelle elles sont utilisées pour transmettre des signaux horaires ou des signaux de localisation.

Comment les recevoir avec un PC ?

Recevoir des ondes radios demande une antenne mais aussi et surtout beaucoup d’électronique pour traiter efficacement le signal reçu. Une évolution récente de la réception radio concerne la radio logicielle .Le principe est de réduire au maximum la partie électronique et de réaliser par logiciel un maximum de traitement, via des algorithmes de traitement numérique du signal. Pour que cela soit possible le signal radio doit être capté, amplifié, échantillonné et ensuite le logiciel peut prendre le relais pour le filtrage et la démodulation. Les échantillonneurs doivent travailler à très haute fréquence pour pouvoir traiter les radio-fréquences et ce sont donc des circuits spécialisés. Cependant, dans le cas des VLF nous pourrons travailler avec une simple carte son de PC, tout simplement car les VLF sont des très basses fréquences compatibles avec les capacités des cartes audio récentes. Nous aurons juste besoin de l’électronique pour capter et amplifier.

Cette page décrit donc la réalisation d’une antenne ferrite active pour recevoir les VLF avec un montage très basique qui devra connecté sur un PC Le principe est d’amplifier suffisamment le signal capté par l’antenne ferrite pour pouvoir l’échantillonner avec la carte son du PC, et ensuite tout le traitement restant (filtrage et démodulation) sera réalisé en numérique. Une carte son qui accepte d’échantillonner à 192Khz permettra de recevoir une fréquence maximale de 192kHz/2, soit 96khz. Si votre carte se limite à un échantillonnage de 44Khz (qualité CD), vous pourrez capter toutes les stations jusqu’à 22khz. Cette antenne est directive, c’est à dire qu’elle reçoit au mieux une station qui est placée perpendiculairement à la direction du barreau de ferrite, et qu’elle ne reçoit pas du tout une station située dans l’alignement du barreau de ferrite. Cela permet à la fois d’éliminer des parasites, mais aussi de localiser la direction dans laquelle se trouve l’émetteur.Cette antenne capte le champ magnétique de l’onde, ce qui présente un avantage en utilisation dans un bâtiment car cela réduit les parasites proches.

Conception

Modélisation LTSpice:

 

Description

Avant d’être réalisé physiquement, le montage a été modélisé sous LTSpice Ce logiciel de simulation (gratuit) permet d’évaluer le comportement du montage, et donc de réaliser la mise au point.On gagne ainsi un temps précieux en écartant beaucoup de mauvaises idées. Il y 3 blocs. le bloc de gauche contient une source de bruit blanc ( bruit aléatoire ou toutes les fréquences sont de même intensité) qui va nous aider à simuler les ondes radios qui arrivent jusqu’a l’antenne. Cette source de bruit n’est évidemment pas présente dans le montage final.

Le bloc du milieu contient l’antenne elle-même, c’est donc cette partie que nous devons réaliser. L’amplification est assurée par un transistor BC547C, il a été choisi pour son niveau de bruit modéré et son gain important.Le choix s’est porté sur un amplificateur àémetteur commun, ce qui peut poser des problèmes sur des hautes fréquences en raison de l’effet Miller .Cependant les VLF sont des radiofréquences de très basses fréquence, et une partie de celles-ci sont carrément dans le spectre audible ( < 20kHz), donc dans ce cas précis un amplificateur à emetteur commun est parfaitement adapté.

L’onde radio sera captée par une antenne ferrite, montée en circuit résonant avec les condensateurs C1,C2,C5. Il y a un switch qui permet de placer la résonnance soit en début de spectre VLF pour recevoir dans ce bonne conditions les émetteurs des VLF basses ( voisinage de 20Khz ), comme le SAQ, soit en partie haute des VLF ou on trouve par exemple l’émetteurs DCF77

Le bloc de droite représente l’entrée de la carte son du PC. Il faut savoir que l’entrée d’une carte son PC fournit une alimentation afin de faire fonctionner les micros actifs. C’est cette alimentation que nous allons utiliser pour faire marcher l’amplificateur de notre antenne active.Dans la modélisation j’ai représenté cette alimentation comme une source de tension de 3 volts présentant une impédance de sortie de 5k. Ce ne sont pas des valeurs arbitraires, elles correspondent à ce que j’ai pu mesurer sur une de mes machines. Sur une autre machine j’avais 1.8V avec 2K, sur une autre encore 4V avec 4K. Le montage est fait pour fonctionner quasiment a l’identique sur des configurations très différentes. Au niveau de la tension d’alimentation il fonctionne correctement à partir d’un volt, et au niveau de l’impédance d’entrée il n’y a pas de valeurs limites.

Réalisation pratique

Le montage a été réalisé a l’aide de punaises en laiton plantées dans une planche de contreplaqué, je n’ai rien inventé , cette technique à été fréquemment utilisée pour des montages très simples pour lesquels on peut se passer de circuit imprimé.

L’antenne est constituée de 100 tours de bobinage sur un barreau en ferrite en matériau 3F3. C’est un matériau très pratique pour cette antenne car il offre une permittivité magnétique importante tout en atténuant fortement le signal des fréquences supérieures aux VLF.Le 3F3 est assez difficile à trouver, si vous avez des difficultés à vous en procurer, un barreau de ferrite récupéré sur un vieux récepteur grandes ondes fera aussi l’affaire. Il faut juste que le bobinage présente une inductance de 1mH.Le transistor utilisé est un BC547C. la encore si vous avez une autre référence (à peu près n’importe laquelle) tans qu’il s’agit d’un transistor NPN, cela pourra quand même fonctionner , vous aurez certainement moins de gain, mais cela fonctionnera.Les condensateurs, non polarisés sont ici des condensateurs céramiques. Dans l’absolu un condensateur céramique de valeur élevée ( plusieurs dizaines de nano Farads) est à éviter pour un circuit oscillant car il est construit avec un diélectrique instable en température et occasionnant des pertes qui amortissent les oscillations. Ceci dit, dans notre cas, nous pouvons nous permetre une dérive en fréquence de quelques % et nous pouvons supporter les pertes d’un condensateur céramique qui serons de toute façon bien inférieures aux pertes consécutives à l’entrée sur la base du transistor.

Ce que nous apprend la simulation

Pour réaliser ces simulation nous avons stimulé le montage avec une source de bruit blanc HF ( celle qui est indiquée dans le bloc de gauche du schéma LTSpice).

 

Bande passante

C’est le réglage à utiliser pour recevoir les stations VLF dont la fréquence est supérieure a 30khz. La plus grande sensibilité est à 60kHz.

C’est la configuration à utiliser pour recevoir les stations qui sont à moins de 30kHz, la plus grande sensibilité est à 17.5kHz, ce qui correspond aux besoins de l’écoute de l’emeteur SAQ.

Amplification

Le propre d’une antenne active est d’amplifier. Ici nous avons une amplification d’un rapport 100 en tension et donc d’un rapport 10 000 en puissance, d’ou les 40dB de gain.

Partie logicielle

Coté logiciel pour votre PC je vous conseille d’utiliser SAQrx il est téléchargeable ici

C’est un logiciel léger ( rien à installer ) assez simple, et qui contient toutes les fonctionnalités dont nous avons besoin.
A partir de windows 7, il faut avoir branché l’antenne avant de le lancer, sinon la capture audio ne peut pas être exécutée ( et vous aurez un message d’erreur au lancement).

Bien qu’il s’appelle SAQ, il permet de recevoir toutes les stations VLF. Il y a une version par fréquence d’enregistrement maximale de votre carte son. Regardez dans les préférences windows les possibilités de la votre

 

Il vous faudra lancer la version de l’exécutable correspondant à vos réglages de capture micro.

Enregistrements

DCF 77 (signaux horaires Mainflingen Allemagne)

Enregistrement effectué à 18.150Khz ( donc avec l’antenne en mode SAQ), certainement des communications navales Russes (station RDL).

Une autre effectuée a 18.100Khz, encore une base navale Russe.

Enregistrement du SAQ de Grimeton, le 3 juillet 2016 à 9h00 UTC.

ressources

Fichier de la simulation LTSpice