Un émetteur audio/vidéo stéréo à 4 canaux sur 2,4 GHz

Nous avons plaisir de vous présenter la première application réalisée avec le nouveau module A/V émettant dans la bande amateur des 2,4 GHz, le FM2350TSIMP, dont les prestations sont absolument incroyables : petit, facile à programmer et, surtout, puissant (200 mW à l’antenne !). A partir de ce module, nous avons construit un émetteur complet audio/vidéo stéréophonique à 4 canaux utilisant peu de composants externes si l’on exclut le microcontrôleur nécessaire pour commander, via le bus I2C, le PLL.





L’utilisation des modules émetteurs et récepteurs tout montés et prêts à fonctionner a énormément simplifié le travail des passionnés d’appareils radio de contrôle à distance ou de transmission de signaux analogiques (audio, vidéo, etc.).

En particulier, les modules AUREL ont permis à des milliers d’amateurs, pas du tout férus de HF, de réussir des montages hyper-sophistiqués.

Ces derniers temps, de nouveaux modules, opérant presque tous dans la bande des 2,4 GHz, capables d’émettre des signaux audio et vidéo, ont fait leur apparition sur le marché.

Ces modules n’ont pas besoin de beaucoup de composants externes et leur fréquence est contrôlée par bus I2C. Ces modules permettent, si on choisit la version 10 mW, de transmettre des signaux A/V sur une centaine de mètres de distance. De tels dispositifs sont également utilisés par les radioamateurs, puisqu’ils englobent deux bandes allouées à ceux-ci (2 303 à 2 313 MHz et 2 440 à 2 450 MHz).







Notre montage

Nous avons autrefois proposé quelques montages utilisant ces éléments : “demo-board”, systèmes multi-fréquence, “scanners” et “scramblers” mettant en oeuvre la technique de “frequency hopping” (saut de fréquence). Ce mois-ci, nous réitérons avec un nouveau module émetteur de 200 mW pouvant couvrir une distance très supérieure. Bien sûr, vue la puissance émise et étant données les normes légales en la matière, l’utilisation de ce composant est destinée aux radioamateurs qui ont droit, eux, à une puissance de 10 W dans leurs bandes réservées.

Quant à nous, nous avons réalisé avec ce module émetteur une “demo-board” très compacte permettant d’effectuer tous les essais souhaitables et les résultats ont été pour le moins satisfaisants.

Comme récepteur, nous avons utilisé le montage proposé dans l'article : "Un système de transmission évolutif 4 canaux vidéo et audio stéréo sur 2,4 GHz" (voir figures 7 et 8).



Le module, son brochage et les caractéristiques audio

Dans les pages du présent article, nous décrivons les étapes de construction de l’émetteur de 200 mW utilisant comme coeur le module FM2350TSIMP.

Celui-ci se présente sous l’aspect d’un boîtier de blindage en tôle étamée pour circuit HF duquel sort une prise coaxiale SMA (sortie antenne souple) et 16 broches (par-dessous pour permettre le montage sur circuit imprimé).

Nous donnons le brochage complet du connecteur constitué par ces dernières à la figure 1. Est-il besoin de préciser que le 5 V sert à alimenter l’étage numérique de contrôle et le PLL ; le 9 V, l’émetteur et l’étage HF ; le potentiel négatif, l’étage d’accord ? Non ? Je m’en doutais ! Les broches de masse (GND) sont à réunir et à connecter à la masse de l’alimentation principale.

A l’entrée vidéo-composite, broche 11, on peut appliquer une composante vidéo standard de 1 Vpp d’amplitude sur 75 ohms. Quant à l’audio, chaque broche s’occupe d’un canal : la 6 pour le gauche (sur la porteuse à 6 MHz) et la 4 pour le droit (modulant la porteuse à 6,5 MHz). Chacune peut recevoir un ou deux signaux dont le niveau ne doit pas dépasser 1 Vpp (soit environ 350 mVeff). L’impédance caractéristique est de 1,4 kilohm entre 100 Hz et 10 kHz. La bande passante va de 20 Hz à 35 kHz (minimum) pour une distorsion, au niveau maximum acceptable, inférieure à 3 %.

Pour éviter les bruits, toujours présents dans les communications audio, le module prévoit une préaccentuation avec constante de temps de 50 μs : les signaux audio sont donc davantage amplifiés dans la bande située autour des 20 kHz, de manière à ce que, à la réception, si l’on atténue dans la même proportion, on obtienne une bande passante linéaire mais avec un meilleur rapport entre les aiguës et le bruit de fond. Cette technique est adoptée depuis toujours pour les émissions radiophoniques et l’audio télévisuel.

Le module peut ainsi garantir un rapport signal/bruit (S/N ratio) de 40 dB, ce qui est plus que suffisant pour la majorité des applications. Si vous ne devez émettre, en revanche, qu’un seul signal audio (mono), vous devez court-circuiter à la masse l’entrée non utilisée, ou bien réunir les deux entrées et les piloter simultanément : vous éviterez ainsi que des bruits et autres ronflements captés par la broche non connectée ne se produisent sur le canal qui n’est pas piloté.





Figure 1 : Le module émetteur FM2350TSIMP.



Il est le coeur de notre émetteur à 4 canaux. La caractéristique la plus importante est la puissance de sortie (+24 dBm, soit 200 mW). Le module nécessite trois tensions d’alimentation (+5 V, +9 V et –1,4 V) et consomme 300 mA. La fréquence de travail est contrôlée par une ligne bus I2C avec laquelle on peut agir directement sur le PLL interne. Les dimensions du module sont indiquées sur le dessin. La correspondance entre les broches et les fonctions est reportée dans le tableau ci-contre. Les lignes SDA et SCL du bus I2C correspondent aux broches 14 et 15.



Le schéma électrique du circuit de contrôle

Si vous jetez un coup d’oeil au schéma du TX TV de la figure 2, vous pouvez voir les deux broches de MOD1, la 14 et la 15 : vous comprendrez leur fonction en connaissant le mode de contrôle de l’émetteur. Le TX peut travailler sur 4 fréquences différentes mais, en fait, il n’y a pas d’éléments permettant ce paramétrage. Le module possède un oscillateur pouvant théoriquement travailler entre 2 300 et 2 500 MHz, soit une bande très vaste : c’est le PLL qui pourvoit à faire fonctionner l’oscillateur sur cette plage de fréquences.

Mais qu’est ce qui commande le PLL ?

Voici l’astuce : ce dernier, de type programmable, se contrôle au moyen d’une commande envoyée le long de l’interface bus I2C dont le composant est pourvu. Les broches 14 et 15 sont respectivement le SDA (Serial DAta) et le SCL (Serial CLock) de cette commande. Bien sûr, cette disposition impose la gestion de l’émetteur par un système intelligent, capable de lui fournir les informations nécessaires.

Pour notre part, nous avons confié la tâche à un microcontrôleur PIC16C54-MF177, déjà programmé en usine, pour remplir des opérations très simples pour lesquelles, à dire vrai, une simple logique programmable eût suffi. En d’autres termes, le microcontrôleur produit un flux de deux octets pour chaque combinaison des microinterrupteurs reliés à ses broches 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12 et 13. Avec 8 bits, on obtiendrait 256 combinaisons et par conséquent le même nombre de canaux.

En réalité, le logiciel du PIC a été écrit pour accepter et interpréter seulement quatre combinaisons, correspondant aux fréquences prévues : tous les micro-interrupteurs fermés pour obtenir 2,4 GHz exactement ; le premier micro-interrupteur seul ouvert pour 2,427 GHz ; le deuxième micro-interrupteur seul ouvert pour 2,454 GHz et les deux premiers micro-interrupteurs ouverts pour 2,481 GHz. La figure 3 parlera d’elle-même.

L’envoi du flux de commande a lieu à la mise en marche, le microcontrôleur lit le paramétrage de ses huit entrées et produit les différentes données. Ces dernières sont acquises et conservées par le PLL programmable du TX, lequel se paramètre en conséquence.

En ce qui concerne les connexions audio/vidéo, les broches 6 et 4 sont reliées à deux prises RCA “cinch” pour circuit imprimé auxquelles vous pouvez brancher les sorties de n’importe quelle source audio mono ou stéréo, en respectant toutefois les niveaux et les impédances indiqués plus haut.

La broche 11, en revanche, est désaccouplée en continu au moyen du condensateur électrolytique C10 (pour garantir que le signal vidéo-composite appliqué n’est pas unidirectionnel). La composante vidéo appliquée à la prise RCA correspondante, peut être réglée en amplitude au moyen du trimmer R14, permettant de limiter le niveau à 1 Vpp (afin d’éviter la saturation du TX et d’optimiser la qualité de la liaison télévisuelle) dans tous les cas, même si le niveau arrivant au connecteur excède, de façon significative, le seuil toléré.

L’étage d’alimentation mérite une attention toute particulière en ce qui concerne sa conception mais aussi par la condition qui lui est imposée : le module réclame deux tensions positives et une tension négative par rapport à la masse. Afin de ne pas compliquer le circuit, nous avons eu recours à un artifice : le 1,4 V négatif est obtenu par l’interposition de deux diodes en série, polarisées directement, entre la masse de la platine et le négatif de l’alimentation.

Ainsi, la chute de tension de D1 et D2 (atteignant 1,4 V environ) produit un “gap” (entrefer) entre la masse et le –V, de telle manière qu’en reliant la broche 2 à cette piste, le module “a l’impression” que sa broche 2 est négative.

Mais si, d’un côté, ce subterfuge permet d’obtenir une tension négative en utilisant simplement deux diodes, de l’autre, il implique une limitation : en effet, la masse de la prise RCA et de l’antenne ne correspond pas à celle de l’alimentation.

Ce n’est pas un problème si l’alimentation ne fait fonctionner que l’émetteur de télévision, mais si nous voulions, avec la même alimentation, alimenter, par exemple, une caméra vidéo ou un microphone amplifié, ce ne serait pas possible car, les masses n’étant pas au même potentiel, la ligne des diodes serait court-circuitée, ce qui annulerait la tension négative et le circuit ne fonctionnerait plus correctement.

Pour conclure sur le chapitre de l’alimentation, voyons comment sont produits le 9 et le 5 V : tout le circuit est alimenté en 12 V au moins (mieux vaudraient 14 ou 15 V) entre les points + et – V, soit sur la prise pour circuit imprimé prévu. La masse est rehaussée de 1,4 V grâce aux diodes D1 et D2. Plus exactement, le point de référence du zéro volt est l’anode de cette dernière (GND). Le régulateur 7809 (U2), dont la broche M est connectée à la masse artificielle, fournit le 9 V stabilisé envoyé au point 9 du module.

Sa sortie alimente aussi l’entrée d’un 7805 (U3) produisant le 5 V destiné à la broche 1 du module TV.

Tout ceci étant vu, nous pouvons passer à la réalisation.



Figure 2 : Schéma électrique de l’émetteur A/V stéréo à 4 canaux.



Figure 3 : L’émetteur peut travailler sur 4 fréquences différentes, réglées par les 2 premiers micro-interrupteurs de DS1. Les micro-interrupteurs 3 à 8 doivent être en position ON (fermés).



Figure 4 : Schéma d’implantation des composants de l’émetteur A/V stéréo à 4 canaux.



Figure 5 : Photo d’un des prototypes.



Figure 6a : Dessin, à l’échelle 1, du circuit imprimé double face de l’émetteur A/V à 4 canaux côté cuivre. La réalisation d’un circuit double face demande une certaine expérience. Si vous décidez de le réaliser vous-même, n’oubliez pas toutes les liaisons entre les deux faces. Pour graver le cuivre, vous pouvez mettre en oeuvre la méthode décrite dans l'article : "Comment fabriquer vos circuits imprimés facilement ?".

Les circuits professionnels sont à trous métallisés et sont sérigraphiés.




Figure 6b : Dessin, à l’échelle 1, du circuit imprimé double face de l’émetteur A/V à 4 canaux côté composants.



Figure 7 : Le récepteur à utiliser.



Les fréquences de travail de l’émetteur décrit dans cet article ont été programmées de manière à pouvoir utiliser le récepteur mentionné dans l'article : "Un système de transmission évolutif 4 canaux vidéo et audio stéréo sur 2,4 GHz". Cet appareil utilise un module récepteur A/V stéréo dont les caractéristiques sont parfaitement adaptées à notre émetteur : modulation de fréquence (FM), 2 canaux audio pour la stéréo avec sous-porteuses à 6 et 6,5 MHz, fréquence de travail de 2 400, 2 427, 2 454 et 2 481 MHz.

Le choix du canal se fait au moyen d’un poussoir avec lequel il est possible de sélectionner séquentiellement les quatre fréquences prévues. L’allumage de la LED correspondante signale quel canal a été sélectionné.





Figure 8 : Le module récepteur FM2400RTIM.



Le module récepteur est semblable, par ses dimensions, au module émetteur. Le circuit dispose d’un plus grand nombre de broches (toutes ne sont pas utilisées dans notre application) parmi lesquelles les deux de la ligne bus I2C au moyen de laquelle il est possible de programmer le PLL interne et, par conséquent, la fréquence de réception. Le signal de sortie (audio stéréo et vidéo) est disponible sur la broche BB (bande-base).



La réalisation pratique de l’émetteur

Tout d’abord procurez-vous ou réalisez le circuit imprimé double face dont la figure 6 donne les dessins à l’échelle 1. Il pourra être réalisé par la méthode décrite dans l'article : "Comment fabriquer vos circuits imprimés facilement ?" en prenant comme repères entre les deux faces les trous d’interconnexion à pratiquer dès que l’une des deux faces a été “dessinée” à l’aide de la pellicule à transfert bleue. N’oubliez pas, après la gravure des deux faces et le forage complet, de réaliser les interconnexions à l’aide de petits morceaux de queues restantes de composants.

De même, vous devrez souder les composants des deux côtés du circuit, sauf les CMS, bien entendu, afin de compléter ces interconnexions.

Insérez les composants en commençant par les plus bas de profil, comme les résistances ou les diodes, pour finir par les plus hauts, comme les prises RCA, les supports de circuits intégrés, les micro-interrupteurs, les condensateurs électrolytiques verticaux, la prise d’alimentation et, bien sûr, le module émetteur avec son blindage.

Attention, certains composants sont des CMS, ce sont surtout des résistances et des condensateurs : leur soudage ne présente aucune difficulté, pourvu que vous utilisiez un fer à panne très fine.

Evidemment, les composants polarisés seront orientés dans le bon sens : pour cela on se servira, avec beaucoup d’attention, des figures 4 et 5. En particulier, orientez le support mais surtout le microcontrôleur lui-même dans le bon sens, c’est-à-dire repère-détrompeur en U vers la gauche du circuit imprimé.

De même, pour les deux régulateurs, à visser couchés dans leurs dissipateurs à ailettes (ne les intervertissez pas) et pour les micro-interrupteurs à 8 voies bipolaires (chiffres tournés vers l’extérieur du circuit imprimé).

Les deux diodes D1 et D2 sont têtebêche sur la plaquette. Le module émetteur, lui, ne peut se monter que dans le bon sens. Ce module est le dernier composant à insérer et à souder en ayant bien soin de l’enfoncer à fond, jusqu’à obtenir l’appui sur la plaquette.

Soudures terminées et dûment vérifiées (pas de court-circuit ni de soudure collée), insérez le microcontrôleur dans son support (repère-détrompeur en U vers la gauche, j’insiste).

Quand tout est assemblé, l’appareil est tout de suite prêt à l’usage sans aucun réglage à prévoir : en effet, le seul trimmer du circuit (il y en a deux autres dans le module proprement dit mais surtout n’y touchez pas) doit normalement être tourné au maximum (curseur totalement tourné vers l’entrée vidéo) et sa position ne sera modifiée que si l’image reçue sur le téléviseur ou le moniteur composite relié au récepteur apparaît peu nette ou dédoublée (et donc floue).

Avant de mettre l’appareil sous tension, il vous faut décider sur quel canal vous voulez opérer : ce paramétrage s’effectue en agissant seulement sur les deux-premiers micro-interrupteurs, comme nous l’avons expliqué plus haut.

L’alimentation externe sera en mesure de fournir 12 à 15 Vcc avec un courant d’au moins 300 mA ; il est vivement conseillé de prévoir une alimentation, au besoin non stabilisée, exclusivement consacrée à l’émetteur afin d’éviter les problèmes déjà décrits plus haut et concernant la présence dans le circuit de deux masses de potentiels différents.

Bien sûr, le circuit ne sera alimenté qu’après avoir connecté l’antenne au module émetteur, sinon l’étage final HF de ce module risque d’être endommagé.

De toute façon, sans antenne, la portée serait dérisoire.

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