XTR-434, données et audio à 100 kbps ou comment réaliser un système de transmission audio avec un module prévu pour le numérique

Disponible depuis quelques mois sur le marché, ce nouveau module Aurel destiné à l’émission de données, est non seulement caractérisé par une vitesse de transmission élevée, mais également par une bande passante importante. Ces deux qualités permettent, bien entendu, son utilisation pour l’échange d’informations numériques puisque c'est pour cela qu'il a été conçu, mais aussi pour la transmission de l’audio, en modulant un signal rectangulaire en PWM… C'est ce que nous vous proposons !


La disponibilité de solutions monolithiques ou hybrides pour la communication analogique et numérique dans la bande UHF (433,92 MHz) est aujourd’hui telle, qu’elle offre aux concepteurs un vaste choix de produits en mesure de résoudre brillamment chaque problème, de coût, d’encombrement, de stabilité.
Dans un monde où désormais tout est cadencé par une séquence de 1 et de 0, dans un monde où règne en maître l’électronique digitale, les activités de développement et de recherche pointent prioritairement sur l’évolution des modules destinés à la transmission des données, modules qui doivent êtres toujours plus petits, économiques et pardessus tout, toujours plus rapides.

Le XTR-434 d’Aurel
Dans cette voie, un objectif important a été atteint par la société Aurel avec son nouveau module baptisé XTR-434, un transmetteur simplex opérant en 433,92 MHz, en modulation de fréquence, dont la caractéristique dominante est la vitesse élevée de transmission des données, 100 kbps aussi bien en émission qu’en réception.
Le composant se présente extérieurement comme un parallélépipède de dimensions 8 x 23 x 33 mm avec deux rangées de pattes au pas standard de 2,54 mm.
Son boîtier métallique contribue à limiter les émissions radiofréquence et à protéger le récepteur des interférences externes, en effet, le XTR-434 est conforme aux normes EN 300 220 et ETS 300 683.
Nous pouvons donc affirmer que ce produit est idéal pour chaque application nécessitant la transmission sans fil d’informations digitales lorsque la vitesse de transfert des données est l’objectif prioritaire.
A la différence des modules hybrides que nous avons utilisés dans le passé, l’utilisation du XTR-434 n’est pas aussi simple, qu’il paraît l’être au premier abord.
Pour exploiter au mieux ses potentialités, il convient de connaître exactement les modalités de fonctionnement, même pour ce qui concerne l’étude du circuit imprimé, il est nécessaire de mettre en oeuvre une série de règles afin d’obtenir les meilleurs résultats.
Nous pouvons résumer brièvement quelques-unes de ces règles :
- L’alimentation 5 volts doit être stabilisée et bien filtrée.
- Les pistes qui véhiculent le +5 volts doivent, autant que possible, être dédiées au seul module et doivent partir des bornes d’alimentation ou du régulateur placé sur le circuit imprimé sur lequel se trouve le XTR-434.
- Entre les pattes 17 (positif) et 10 (masse), il faut placer un condensateur de 100 nF pour écouler les éventuelles interférences de la section radiofréquence.
- Le composant doit être placé à une distance d’au moins 5 mm des autres composants, cela concerne en particulier les microprocesseurs et microcontrôleurs, pour le cas où les unités d’horloge ne seraient pas ou mal blindées, la même précaution est prescrite pour la pastille de connexion de l’antenne.
Il y a aussi quelques règles concernant la modulation, qui se fait en fréquence et où, dans notre module hybride, elle est contrôlée par l’amplitude du signal digital d’entrée.
En pratique, le niveau haut détermine le déplacement de la fréquence entre les marges de déviation admises, le niveau zéro laissant le transmetteur dans l’état d’absence de modulation.
Les expériences en laboratoire ont confirmé un détail important, par ailleurs expliqué par le constructeur dans la fiche technique du produit.
Le démodulateur FM de la section réceptrice ou, mieux, l’étage de remise en forme des impulsions placé sur la sortie afin de maintenir un équilibre correct, doit travailler avec des signaux rectangulaires dont le rapport cyclique ne s’écarte pas d’une étendue comprise entre 30 et 70 % durant 2 millisecondes.
Le mieux étant, évidemment, de respecter le canonique 50 %, mais, comme vous le verrez dans l’application décrite dans cet article, en voulant utiliser le dispositif pour l’échange de signaux PWM, cela n’est pas possible.
Mis à part ces détails, le XTR-434 est un élément très fiable et performant, capable de garantir des liaisons simplex à haute vitesse, bien supérieure à celle des plus rapides MODEM pour lignes téléphoniques commutées.



Figure 1 : Tout ce qu’il faut savoir sur le module Aurel XTR-434


Caractéristiques physiques du module Aurel XTR-434



Schéma synoptique interne du XTR-434



Les phases de fonctionnement du récepteur



Caractéristiques



Sélectivité/fréquence



Variation température/fréquence


Le composant à la base du système de communication audio décrit dans cet article est un transmetteur simplex via radio, fonctionnant dans la bande UHF (433,92 MHz) en modulation de fréquence.
Il contient un étage transmetteur équipé d’un oscillateur SAW, modulé en FM par une diode varicap (celle-ci, piloté par une tension variable, présente une capacité dont la variation influence sur la fréquence transmise). Cet étage est capable de délivrer une puissance de +10 dBm (environ 10 mW) sur une antenne de 50 ohms d’impédance.
Le module inclut également un récepteur, avec un étage d’accord superhétérodyne, lui aussi équipé d’un résonateur SAW, ainsi que d’un étage de remise en forme du signal de sortie. Cet étage ne fonctionne correctement que lorsque le rapport cyclique du signal digital démodulé se maintient entre 30 et 70 %. La sensibilité du récepteur est de –100 dBm (quelques microvolts), ce qui est excellent.
Donc, –100 dBm est le niveau minimum que la porteuse radio doit avoir à l’entrée (patte 2) de la section RX, afin que le démodulateur restitue un signal qui, après remise en forme, soit lisible.
Le récepteur, lorsqu’il est activé, requiert environ 3 millisecondes pour être opérationnel, soit 1 milliseconde pour passer de l’état de repos à l’état actif et 2 millisecondes durant lesquelles le transmetteur doit envoyer un “préambule” constitué par des données quelconques (par exemple un signal carré), comme cela est représenté sur le dessin des phases de fonctionnement du récepteur.
Sur le site internet de la revue (www.electroniquemagazine.
com), dans la rubrique “Téléchargement”, vous trouverez le fichier XTR_434.PDF (en anglais) contenant tous les détails liés à l’utilisation de ce module, sûrement un des plus complexes et des plus intéressants produits par par la société Aurel.

Figure 2a : Photo de la partie transmetteur, tous les composants à leur place.

Dans notre application, nous avons détourné l’aptitude des modules XTR-434 à transmettre et à recevoir des signaux mumériques à la vitesse de 100 kbps, pour réaliser un système de transmission à distance d’un signal audio. Pour faire cela, nous avons modulé en fréquence une forme d’onde rectangulaire à l’aide de la composante BF. En d’autres termes, il a été produit une onde porteuse modulée en PWM par le signal audio à transmettre.

Figure 2b : Photo de la partie récepteur, tous les composants à leur place.

Pour recevoir ce signal audio, nous utilisons la partie réceptrice du XTR-434 afin d’extraire les impulsions logiques, qui passent ensuite dans un filtre dans le but d’obtenir de nouveau l’enveloppe de la composante BF transmise. Dans ce mode, nous obtenons, entre autres avantages, une transmission, qui, captée par un récepteur classique, serait inintelligible. La portée du système, en utilisant comme antennes deux simples morceaux de fil de cuivre rigide, est comprise entre 50 et 300 mètres en l’absence d’obstacles.

Les raisons du choix
Pour mettre à l’épreuve le module, nous n’avons pas voulu réaliser un système de communication numérique, lequel aurait pu être une liaison radio entre deux ordinateurs, mais quelque chose de plus original : Une installation de communication audio, composée d’un émetteur et d’un récepteur, capable de prestations élevées en terme de portée et de qualité du signal.
Certains se demanderont comment il est possible de transmettre et de recevoir des signaux analogiques, avec des modules étudiés pour gérer des niveaux logiques.
Le doute est plus que légitime, mais l’explication est simple. Comme le RTX peut traiter des impulsions digitales, nous avons modulé en durée (et ainsi en rapport cyclique) une forme d’onde rectangulaire à l’aide de la composante BF.
En d’autres termes, une onde porteuse modulée en PWM par le signal audio à transmettre a été créé.
Cela en émission. En réception, nous utilisons la partie réceptrice du XTR-434 pour extraire les impulsions logiques, qui passent ensuite par un filtre permettant d’obtenir de nouveau l’enveloppe de la composante BF transmise.
Dans la suite de l’article, vous découvrirez comment cela a été réalisé.

Le schéma de l’émetteur
Nous partons donc de l’émetteur, représenté dans le schéma électrique de la figure 3.
Dans ce schéma, l’hybride fonctionne en émetteur radio, dans la mesure où nous maintenons active la seule section de transmission et nous désactivons donc la partie réceptrice.
Cela est obtenu en plaçant la patte 16 au niveau haut et la patte 15 au niveau bas, la première est la patte “RX enable” et est inactive, la patte 15 correspond à la patte “TX enable” et est active car elle est placée au niveau bas, suivant la prescription du fabricant.
L’entrée de contrôle de l’émetteur est localisée à la patte 14, elle est pilotée à l’aide d’un train d’impulsions modulées appliquées par l’intermédiaire de la résistance R7 et la diode zener DZ1.
Les impulsions sont obtenues à l’aide d’un modulateur réalisé avec un NE555 qui travaille au repos, à 50 kHz exactement.
Il faut donc régler le trimmer R6 pour obtenir sur la patte 3, en absence de signal modulant (avec l’entrée microphone en court-circuit), une onde rectangulaire de cette fréquence.
Le circuit intégré U2 (NE555) ne travaille pas en configuration classique, du fait qu’il contrôle le réseau de temporisation directement avec la sortie Q.
Ceux qui connaissent la structure interne du NE555 savent que cela équivaut, au moins sur le plan du fonctionnement et de la succession des cycles du multivibrateur, à utiliser la patte 7 (discharge) qui est celle prévue par le fabricant pour décharger le condensateur (C8 dans notre cas).
Ce n’est pas sans raison que nous avons choisi cette solution à l’instar de l’autre. Cette raison est la suivante : Si le comportement des pattes 3 et 7 est identique sur le plan du niveau logique (toutes les deux travaillent en phase), il ne l’est pas électriquement, étant donné que la première fait front à une sortie de type push-pull, l’autre correspondant au collecteur d’un transistor NPN configuré en collecteur ouvert.
L’astable, basé sur le NE555, fonctionne dans les conditions suivantes :
- Lorsque la sortie est au niveau haut, le condensateur placé entre les pattes 2, 6 et la masse doit se charger.
- Vice versa, lorsque la patte 3 est à zéro, le condensateur est déchargé.
Notez qu’en utilisant directement la sortie, le processus intervient avec les mêmes composants de temporisation (en substance, le trimmer R6 seulement). L’utilisation de la patte 7 nécessite la mise en oeuvre d’une résistance supplémentaire, connectée du “+” de l’alimentation à la résistance R6, qui charge le condensateur C8 lorsque le NPN interne est bloqué (lorsque la sortie est au niveau haut).
Dans le premier cas, on obtient un signal avec un rapport cyclique égal à 50 %. Par contre, dans le second cas, cette valeur est seulement approximative.
Voulant intervenir sur la largeur des impulsions produites par le monostable et pensant partir d’un signal rectangulaire ayant un rapport cyclique exact de 50 %, la solution adoptée est la seule capable de garantir le résultat.
La modulation est opérée par le signal capté par le microphone, ce qui rend le système apte à reproduire des voix et des sons captés dans l’environnement dans lequel se trouve l’émetteur. Le déclenchement est automatique.
Fonctionnant en PWM et donc en modulation de fréquence, pour obtenir une réception discrète et dépourvue de distorsion, le choix d’utiliser une porteuse de 50 kHz n’est pas, là non plus, le fait du hasard.
En fait, il est de bonne règle, que la fréquence de la porteuse soit une dizaine de fois supérieure à celle maximum de l’onde modulante.
Dans le circuit de transmission, outre le XTR-434 et le modulateur PWM réalisé avec le NE555, nous trouvons quelques autres composants, parmi lesquels nous avons l’amplificateur opérationnel U1.

Figure 3 : Schéma électrique de la partie transmetteur.

Figure 4 : Schéma d’implantation des composants du transmetteur.

Figure 5 : Une photo du transmetteur réalisé avec le module XTR-434 Aurel. Le signal audio est modulé en PWM par une porteuse à 50 kHz.

Figure 6 : Dessin, à l’échelle 1, du circuit imprimé du transmetteur.

Liste des composants (Emetteur)
R1 = 10 kΩ
R2 = 1 kΩ
R3 = 10 kΩ
R4 = 470 kΩ
R5 = 10 kΩ
R6 = 22 kΩ trimmer
R7 = 1 kΩ
C1 = 47 pF céramique
C2 = 10 μF 63 V électrolytique
C3 = 10 μF 63 V électrolytique
C4 = 47 μF 25 V électrolytique
C5 = 220 μF 25 V électrolytique
C6 = 100 nF multicouche
C7 = 100 nF multicouche
C8 = 820 pF céramique
D1 = Diode 1N4007
DZ1 = Diode zener 5,1 V
U1 = Intégré LM741
U2 = Intégré NE555
U3 = Module Aurel XTR-434
U4 = Régulateur 7805

Divers :
1 Bornier 2 pôles
2 Support 2 x 4 broches
1 Capsule électret
2 Strip 9 broches femmelles
1 Coupe 17 cm fil émail 12/10


Le schéma du récepteur
Le schéma du récepteur, sur la figure 7, est encore plus simple, car il n’est composé que du module XTR-434, d’un filtre passe-bas et d’un amplificateur BF “de puissance”.
Le module hybride a son émetteur désactivé, en plaçant la patte 16 à la masse, donc au niveau logique zéro.
De la sorte, seule la partie réceptrice est active (la patte 15 étant maintenant placée au niveau haut).
Le signal BF est amplifié par U1, un petit amplificateur intégré LM386, capable de délivrer une puissance d’environ 1 watt.
Le récepteur fonctionne également en 12 volts et comporte, lui aussi, une diode de protection sur la ligne positive d’alimentation.

Figure 7 : Schéma électrique de la partie récepteur.

Figure 8 : Schéma d’implantation des composants du récepteur.

Figure 9 : Une photo d’un des prototypes du récepteur.

Figure 10 : Dessin, à l’échelle 1, du circuit imprimé du récepteur.

Liste des composants (Récepteur)
R1 = 10 kΩ
R2 = 220 Ω
R3 = 10 kΩ
R4 = 10 kΩ
R5 = 100 kΩ trimmer
R6 = 150 Ω
R7 = 56 Ω
R8 = 1 Ω
R9 = 1 Ω
C1 = 100 nF multicouche
C2 = 10 nF 100 V polyester
C3 = 22 nF 100 V polyester
C4 = 100 nF multicouche
C5 = 100 nF 100 V polyester
C6 = 47 μF 25 V électrolytique
C7 = 220 pF céramique
C8 = 47 μF 25 V électrolytique
C9 = 220 μF 25 V électrolytique
C10 = 220 μF 25 V électrolytique
C11 = 100 nF 100 V polyester
C12 = 220 μF 25 V électrolytique
T1 = NPN BC547
D1 = Diode 1N4007
U1 = Ampli TBA820M
U2 = Régulateur 7805
U3 = Module Aurel XTR-434

Divers :
2 Borniers 2 pôles
1 Support 2 x 4 broches
1 HP miniature 8 Ω
2 Strip 9 broches femelles
1 Coupe 17 cm fil émail 12/10


La réalisation pratique
Parvenus à ce point, nous pouvons nous occuper de l’aspect pratique du projet décrit dans cet article.
En premier lieu, il faut réaliser les deux circuits imprimés dont les dessins sont donnés en figure 6 pour l’émetteur et en figure 10 pour le récepteur. Utilisez votre méthode habituelle. Vous pouvez également utiliser la méthode décrite dans l'article : "Comment fabriquer vos circuits imprimés facilement ?".
Une fois les circuits imprimés gravés et percés, placez les différents composants suivant les règles habituelles.
Procédez par ordre de hauteur, prêtez la plus grande attention à la polarité des condensateurs électrolytiques, installez les circuits intégrés sur des supports adaptés et ainsi de suite.
Pour les connexions externes, prévoyez des borniers à vis à souder sur circuit imprimé au pas de 5 mm.
Quant aux modules XTR-434, chacun d’eux est disposé comme cela est représenté sur les schémas d’implantation des composants des figures 4 et 8, où chaque module doit être maintenu horizontalement, bien aligné avec la surface supérieure du circuit imprimé. Les photos des figures 5 et 9 vous seront utiles pour lever un doute éventuel.
Chaque appareil est doté d’une antenne, pour cela il suffit d’utiliser un morceau de fil de cuivre émaillé de 10 à 12/10, d’une longueur de 17 à 18 cm, soudé sur la pastille “ANT”.
Pour le récepteur, choisissez soit un casque, soit un haut-parleur. Dans ce dernier cas, prenez soin d’éloigner de quelques mètres l’émetteur du récepteur, afin d’éviter l’apparition du désagréable effet Larsen.
Vous pouvez donc alimenter les circuits, chacun avec une alimentation capable de fournir 12 volts continus et un courant de 60 milliampères pour le transmetteur et 350 milliampères pour le récepteur.
Si vous disposez d’un oscilloscope ou d’un fréquencemètre, connectez la sonde sur le récepteur, entre la patte 3 du NE555 et la masse.
A l’aide d’un petit tournevis, ajustez le curseur du trimmer R6 jusqu’à ce que vous lisiez une valeur de 50 kHz exactement.
Cela fait, vous avez réglé la fréquence exacte de la porteuse et votre système de communication audio est prêt.
Vous pouvez l’utiliser dans un rayon d’environ 300 mètres (en l’absence d’obstacles) avec des résultats satisfaisants ou sur des distances plus importantes avec l’utilisation d’antennes directives.

Note : La législation sur le sujet dépend du pays dans lequel vous habitez. Si vous avez un doute, renseignez-vous auprès de votre Administration.

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