Un scrambler audio/vidéo à saut de fréquence



Lorsque vous faites fonctionner votre émetteur audio/vidéo équipé d’un module 2,4 GHz vous souhaitez, évidemment, que vos émissions ne puissent être regardées que par les personnes autorisées. Mais comment faire puisque n’importe quel voisin équipé d’un récepteur calé sur la même fréquence peut vous recevoir ? Un système simple mais efficace, bien plus fiable que les coûteux scramblers numériques, vous est proposé dans cet article. Il vous assurera la confidentialité que vous recherchez.

Dans ELM 23, page 8 et suivantes, nous vous avons proposé de réaliser un système de transmission audio/vidéo à 2,4 GHz, utilisant des modules HF programmables par bus I2C. Afin d’en tirer parti, une fois acquise la confiance en un tel protocole, nous avons réalisé des variations fructueuses sur le même thème : un scanner, un émetteur et un récepteur à cent canaux et d’autres circuits encore. Dans cet article nous présentons la toute dernière réalisation de la série, très intéressante à bien des égards.

Notre réalisation
Comme le titre l’indique, il s’agit d’un scrambler, c’est-àdire un système capable d’empêcher l’interception d’une émission. Pour atteindre ce résultat, avec un signal vidéo, on peut utiliser divers procédés : les plus simples agissent sur les synchronismes alors que les plus sophistiqués effectuent une numérisation complète du signal et cryptent ensuite les données transmises.
Par exemple, dans le domaine de la télévision, les émissions à péage de CANAL+/CANAL SATELLITE : pour les émissions terrestres (analogiques), on manipule les synchronismes alors que pour les émissions par satellite (numériques), on se sert d’algorithmes très complexes garantissant, au moins en théorie, la vision correcte du signal seulement à ceux qui ont acquitté leur abonnement et possèdent le décodeur à carte validée.
Dans tous les cas, il s’agit d’appareils très complexes et coûteux dont le prix ne peut être amorti que par une diffusion de masse. Les plus économiques des appareils analogiques valent de 3 000 à 6 000 F et les numériques atteignent plusieurs dizaines de milliers de francs.

Le saut de fréquence (frequency hopping)
Toutefois, pour éviter qu’une émission vidéo privée “ne tombe en des mains étrangères”, il existe d’autres techniques comme, par exemple, celle du saut de fréquence. Notre scrambler mettra à profit cette dernière.
Son nom nous le suggère : cette technique consiste à émettre en clair mais en changeant sans cesse de fréquence.
Ainsi, quelqu’un qui chercherait à intercepter l’émission, pourrait au mieux (ou au pire !) voir l’image quelques secondes ou quelques fractions de seconde. Ce procédé est d’autant plus efficace que l’on reste moins longtemps sur une même fréquence de travail et que lesdites fréquences sont plus nombreuses.
Comparé aux autres techniques, ce procédé présente un petit inconvénient (on l’a dit, l’émission peut être interceptée pendant de brèves périodes) mais, surtout, de nombreux avantages.
Parmi ceux-ci figure en bonne place l’impossibilité d’enregistrer sur bande le signal dans le but de le décoder dans un second temps. En effet, les signaux des autres procédés utilisant une fréquence fixe pour l’émission, ils peuvent être enregistrés dans un premier temps (sans perte de la moindre donnée) puis analysés dans le calme et tranquillement décodés (même si le décryptage du code peut prendre du temps).
Bien évidemment, cela est impossible avec un système où la fréquence d’émission change tout le temps. Et c’est justement cette technique, le saut de fréquence, que nous avons utilisée pour réaliser notre système audio/vidéo à l’épreuve de toute interception.
Ce procédé est appliqué à l’émetteur et au récepteur audio/vidéo à 2,4 GHz décrits dans ELM 23, page 8 et suivantes.
Tous deux utilisent un microcontrôleur fournissant au module HF les informations relatives à la fréquence sur laquelle il doit se placer.
Rappelons que, dans la version standard, il existe 4 possibilités de fréquences pilotées par microcontrôleur et sélectionnables manuellement à l’aide de micro-interrupteurs pour le TX ou d’un bouton-poussoir pour le RX. Il suffira donc de retirer le microcontrôleur pour monter à sa place un petit circuit portant un nouveau microcontrôleur programmé pour le saut de fréquence.
Cependant, avant de nous occuper des aspects pratiques, analysons en détail le principe de fonctionnement de notre système, c’est-à-dire le TX et le RX.
Le plus difficile, dans le procédé du saut de fréquence, est l’obtention d’une parfaite synchronisation entre l’émetteur et le récepteur : en effet, ce dernier doit se déplacer sur le nouveau canal en même temps que l’émetteur change de fréquence.
En plus de savoir quel sera le nouveau canal (nous verrons d’ici peu comment le RX peut acquérir cette information), le déplacement doit être également être très rapide mais sans excès, afin d’éviter que le PLL du récepteur ne se verrouille, avec comme conséquence l’obscurcissement de l’écran vidéo et un fastidieux ”toc” dans le haut-parleur à chaque changement de canal.
Pour obtenir les meilleurs résultats, le saut de fréquence doit être d’au moins 20 MHz mais sans dépasser 50 MHz. La phase de passage d’un canal à un autre n’est pas immédiate : en d’autres termes, le microcontrôleur n’envoie pas au module HF (par l’intermédiaire du bus I2C) l’ordre de se déplacer immédiatement sur la nouvelle fréquence car, ce faisant, le PLL se verrouillerait certainement un bref instant. Le déplacement se fait par petits pas de 500 kHz environ.
Toutefois, les données étant envoyées à une vitesse très élevée, ce passage d’un canal à un autre advient en quelques dizaines de millisecondes seulement.
Ce ”sweep” hyper rapide, effectué en même temps par le TX et le RX, permet d’obtenir un changement de canal sans aucun effet sur la qualité du signal, vidéo ou audio. La rapidité du ”sweep” rend nécessaire l’emploi d’un microcontrôleur également très rapide.
On utilisera donc, pour porter le programme de gestion, un PIC16F84 avec horloge à 20 MHz.
Mais revenons au fonctionnement.
Bien que TX et RX soient, au départ, prévus pour fonctionner sur 4 canaux, on à vu (ELM 25, page 12 et suivantes) qu’il était possible, à l’aide d’un microcontrôleur correctement programmé, de commander le PLL sur un très grand nombre de canaux. Nous utiliserons donc cette possibilité pour notre réalisation.
Initialement, l’émetteur se place sur la fréquence de 2 400 MHz exactement, y demeure environ 2 secondes et envoie (en utilisant une des deux voies audio correctement interfacée) une séquence de données contenant un programme de synchronisation.
A ce moment commencent les sauts de canal (il y en a 20), avec une persistance sur chaque canal d’environ 3 secondes, ce qui fait une période totale de 20 X 3 = 60, soit une minute, au terme de laquelle TX et RX se retrouvent sur la fréquence de 2 400 MHz à partir de laquelle, grâce à une nouvelle impulsion de synchronisation, commence un nouveau cycle de déplacements.
Les données relatives aux 20 canaux sur lesquels se déplacent TX et RX pendant le cycle, sont fournies par un algorithme pseudo-RANDOM installé à la fois dans le microcontrôleur du TX et dans celui du RX.
L’algorithme tient compte du paramétrage des dip-switchs à 8 micro-interrupteurs (le code que vous choisissez), présents sur les deux appareils, TX et RX, afin de produire différents groupes de fréquences de manière personnalisée.
Les 7 premiers micro-interrupteurs permettent de choisir parmi les 128 combinaisons de canaux possibles ; le huitième, placé sur ON, permet, en revanche, de limiter le cycle à seulement 3 canaux, ce qui rendra possible un réglage beaucoup plus rapide des deux appareils, la durée du cycle étant alors ramenée à 9 secondes seulement.
L’utilisation d’une voie audio pour envoyer le programme de synchronisation, n’interdit nullement de transmettre, en plus, la basse fréquence (outre la vidéo). En effet, nous avons à notre disposition une seconde voie pour transmettre le son.


Fréquence de travail ............................. 2,3 à 2,5 GHz
Puissance de sortie .............................. 10 mW
Entrée signal vidéo .............................. 1 Vpp
Entrée signal audio .............................. 1 Vpp
Scrambler ........................................ à saut de fréquence
Durée du cycle normal ............................ 60 secondes
Durée du cycle de réglage ........................ 9 secondes
Permanence sur un canal .......................... 3 secondes
Canaux par cycle ................................. 20
Saut de fréquence minimum ........................ 20 MHz
Saut de fréquence maximum ........................ 50 MHz
Synchronisation .................................. par asservissement BF
Tableau des canaux ............................... 128
Alimentation TX et RX ............................ 12 Vcc
Consommation TX .................................. 150 mA
Consommation RX .................................. 250 mA

Figure 1 : Caractéristiques techniques.

Figure 2 : Circuit de contrôle de l’émetteur.

Figure 3 : Photo d’un des prototypes de l’émetteur avec son petit circuit imprimé de contrôle fixé au support du microcontrôleur d’origine. Remarquez la connexion à une des deux entrées audio, à travers laquelle est transmis l’asservissement de synchronisation.

Le saut de fréquence… (frequency hopping)
…en émission :
Chaque minute, l’émetteur (piloté par le microcontrôleur PIC16F84-MF382T) effectue 20 changements de fréquence, se déplaçant d’une valeur minimale de 2,3 à une valeur maximale de 2,5 GHz.
La séquence dépend du paramétrage des micro-interrupteurs, présents aussi bien sur le TX que sur le RX.
Au début de chaque cycle, le microcontrôleur contrôlant le TX, produit aussi un programme de synchronisation modulant une des deux voies audio de notre système.

…et en réception :
Cet asservissement permet au récepteur d’effectuer les sauts de fréquence au moment même où le TX change de canal en se déplaçant de l’ancien vers le nouveau canal (identifié par le paramétrage – donc par un code personnalisé – des micro-interrupteurs et par le logiciel implanté dans le microcontrôleur PIC16F84-MF382R).
A la fin de chaque cycle, le système se resynchronise tout en corrigeant d’éventuelles petites différences.
Aussi, en réception, on ne déplore aucune perturbation audio ou vidéo.

Les schémas TX et RX
Analysons maintenant en détail le fonctionnement et les schémas des deux circuits.

L’émetteur
Le circuit utilisé pour l’émetteur emploie seulement, outre le microcontrôleur, trois résistances, un condensateur et un quartz de 20 MHz. Le dispositif prend son alimentation sur le circuit sous-jacent et utilise même les micro-interrupteurs présents sur la carte de base (les micro-interrupteurs seront connectés aux broches 6 à 13).
Aux broches 1 (SDA) et 2 (SCL) font face les lignes de contrôle du bus I2C, c’est-à-dire la ligne utilisée par le microcontrôleur pour contrôler la fréquence de travail du module HF.
Dans le microcontrôleur est programmé le logiciel MF382T dont on trouvera l’organigramme en figure 4.
La série des données que contient le programme de synchronisation est présente sur la broche 17 : ce signal est à un niveau suffisant pour piloter directement une des deux voies audio du TX. On peut utiliser, pour cela, indifféremment la voie droite ou la voie gauche, pourvu qu’en réception on utilise la même.
Du point de vue pratique, ce circuit utilise un petit circuit imprimé et un support de circuit intégré de type à wrapper.
L’ensemble sera inséré sur le support de circuit intégré de la platine sous-jacente, support que l’on aura, bien sûr, préalablement débarrassé de son circuit intégré d’origine.
À la platine sous-jacente, on connectera toutes les broches, à l’exception des 15, 16 et 17, que l’on coupera à la pince coupante. Sur le schéma électrique, les broches à connecter à la platine sous-jacente, sont indiquées en noir (voir figure 2).
La connexion entre le petit circuit imprimé et l’entrée audio sera effectuée à l’aide d’un bout de câble blindé avec prise volante mâle de type RCA “CINCH”.

Le diagramme de flux du logiciel installé dans le microcontrôleur du TX, permet de mieux comprendre le principe de fonctionnement de notre système et, spécifiquement, les fonctions de ce microcontrôleur.

Figure 4 : Organigramme de l’émetteur.

Figure 5 : Schéma d’implantation des composants du circuit de commande de l’émetteur.

Figure 6 : Photo d’un des prototypes du circuit de commande de l’émetteur.

Figure 7 : Dessin du circuit imprimé, à l’échelle 1, du circuit de commande de l’émetteur.

Figure 8 : Schéma électrique du circuit de contrôle du récepteur.

Liste des composants du circuit de commande de l’émetteur
R1 à R3 = 10 kΩ
C1 = 27 pF céramique
U1 = μcontrôleur PIC16F84A-20-MF382T
Q1 = Quartz 20 MHz

Divers :
1 Support 2 x 9 broches à wrapper
1 Circuit imprimé S382T


Le récepteur
Le circuit électrique à utiliser pour le récepteur est légèrement plus complexe parce qu’il comprend aussi, outre le microcontrôleur portant le logiciel MF382R dont l’organigramme est donné en figure 9, un dip-switch à 8 micro-interrupteurs, un étage d’amplification et une poignée de composants passifs.
Le signal, contenant les données de synchronisation, est prélevé sur la sortie audio, filtré à travers un réseau RC et amplifié par le transistor T1, monté en émetteur commun.
Sur le collecteur de ce dernier, se trouve un signal d’amplitude suffisante pour piloter l’entrée numérique du microcontrôleur, entrée qui fait face à la broche 1. Cet étage présente un gain en tension très élevé, dû, outre à la configuration utilisée, à l’emploi d’un transistor Darlington.
Dans ce cas encore, le microcontrôleur utilisé, un PIC16F84, doit pouvoir opérer avec une horloge à 20 MHz. C’est la fréquence du quartz relié aux broches 15 et 16.
Les lignes de contrôle du bus I2C, font face aux broches 17 (SCL) et 18 (SDA) alors que, comme pour le RX, les microinterrupteurs sont connectés aux broches 6 à 13. A la broche 3 est connectée une LED qui s’allume lorsque le code de synchronisation est reconnu.
A la broche 2 est connecté un réseau RC composé d’un condensateur et d’un trimmer. Ce réseau permet de faire varier légèrement le moment du commencement du cycle en fonction des données de synchronisation reçues. Le réglage de ce trimmer devra être réalisé expérimentalement en partant de la position centrale : le trimmer sera réglé jusqu’à la complète disparition des perturbations pendant le saut de canal.
Notez bien que ce réglage n’a d’effet qu’après une nouvelle synchronisation (éclair de la LED) : c’est seulement à ce moment-là que sera lue la valeur du trimmer et mis à jour le retard de synchronisation des deux modules.
Dans ce cas aussi, pour la réalisation pratique du circuit, nous avons utilisé un petit circuit imprimé et un support de type à wrapper, sur lequel nous avons monté le nouveau microcontrôleur.
Ensuite les broches sont insérées dans le support de la platine sous-jacente, support que l’on a débarrassé de son circuit intégré d’origine.
Le montage de ce petit circuit ne présente, lui non plus, aucune difficulté. Prêtez toutefois attention à la valeur des rares composants utilisés et au positionnement du transistor et de la LED.
Toutes les broches du support “wire-wrap” ne sont pas utilisées : avec une pince coupante, éliminez les broches correspondant aux 3, 4, 7, 15 et 16. Ici encore, sur le schéma électrique de la figure 8, les broches à connecter à la platine sous-jacente sont indiquées en noir.
Quant à la connexion audio, utilisez un bout de câble blindé avec prise volante mâle RCA “CINCH”, et reliez-la à la sortie audio de la voie utilisée pour la transmission du signal de synchronisation.

Le diagramme de flux du logiciel installé dans le microcontrôleur du RX, permet de mieux comprendre la synchronisation entre le TX et le RX et comment ce dernier effectue un saut de canal identique à celui effectué en même temps par le TX.

Note : TX = émetteur, RX = récepteur, RTX = émetteur/récepteur.

Figure 9 : Organigramme du récepteur.

Figure 10 : Schéma d’implantation des composants du circuit de commande du récepteur.

Figure 11 : Photo d’un des prototypes du circuit de commande du récepteur.

Figure 12 : Dessin du circuit imprimé, à l’échelle 1, du circuit de commande du récepteur.

Liste des composants du circuit de commande du récepteur
R1 = 100 Ω
R2 = 4,7 kΩ trimmer (horiz.)
R3 = 10 kΩ
R4 = 10 kΩ
R5 = 470 Ω
R6 = 10 kΩ
R7 = 270 Ω
R8 = 1 MΩ
R9 = 3,3 kΩ
R10 = 4,7 kΩ
C1 = 100 nF polyester 5 mm
C2 = 100 nF polyester 5 mm
C3 = 100 nF polyester 5 mm
U1 = PIC16F84A-20-MF382R
Q1 = Quartz 20 MHz
T1 = NPN MPSA13
LD1 = LED rouge 5 mm
DS1 = dip-switch 8 micro-inter.

Divers :
1 Support 2 x 9 broches à wrapper
1 Circuit imprimé S382R


Les essais
Il ne reste plus qu’à mettre en route notre système d’émission audio/vidéo à saut de fréquence. Insérez les deux petits circuits dans les supports et effectuez la liaison BF à la voie audio choisie.
Connectez une caméra vidéo et une source audio au TX. Raccordez un moniteur et un ampli BF à la sortie du RX.
Réglez sur ON le huitième micro-interrupteur du TX et du RX.
Mettez sous tension les deux dispositifs.
A l’aide d’un testeur, contrôlez que les deux microcontrôleurs sont sous une tension de 5 V.
Sous l’effet du réglage du huitième micro-interrupteur, le système effectue un cycle d’une durée de 9 secondes environ, avec trois sauts de canal.
Réglez le trimmer de telle manière que le passage d’un canal à l’autre se fasse sans aucune perturbation de son ou d’image.
Ceci obtenu, il ne vous reste qu’à replacer sur OFF le huitième microinterrupteur et à paramétrer un code personnalisé en agissant sur les 7 premiers bits : paramétrez-les bien de la même manière sur le TX et sur le RX… sinon ce sera la Tour de Babel !
Vérifiez enfin que, dans cette configuration aussi (8e bit sur OFF), il n’y a aucune perturbation audio/vidéo lors du saut d’un canal à l’autre et qu’à la fin de chaque cycle la LED s’éclaire un bref instant.
Eventuellement, retouchez légèrement le réglage du trimmer R2.
“Larvatus prodeo” (j’avance masqué), était la devise de Descartes : vous voilà, vous aussi, en possession d’un système de transmission crypté.

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