Il peut être intéressant de réaliser un codeur stéréophonique, à titre expérimental, par exemple pour retransmettre dans une autre pièce du domicile, à l'aide d'un petit émetteur FM, le son d'un programme issu d'un téléviseur NICAM ou d'un magnétoscope stéréophonique.
Principe de transmission en stéréophonie
Le but est de transmettre sur une même fréquence porteuse deux signaux audio (canal gauche et canal droit, ou G et D), avec un taux de diaphonie le plus faible possible (séparation maximum entre ces canaux), tout en assurant la compatibilité monophonique. Ce résultat est obtenu en transmettant la somme des signaux G+D (voie monophonique) ainsi que leur différence G-D (voie stéréophonique). Il en découle que l'amplitude du signal de la voie monophonique est maximum lorsque les signaux appliqués sur les voies G et D sont exactement identiques en amplitude et en phase. Le signal de la voie stéréophonique est alors théoriquement nul. Inversement l'amplitude du signal de la voie stéréophonique atteint son maximum lorsque les signaux G et D sont d'égale amplitude, mais de phase opposée. Le signal de la voie monophonique est alors nul. A la réception, le décodeur stéréo recrée les canaux gauche et droit en effectuant les relations G=1/2((G+D)+(G-D)) et D=1/2((G+D)-(G-D)). Le signal de la voie stéréophonique est transmis par modulation d'amplitude d'une porteuse à 38 kHz. Cette porteuse est supprimée de façon qu'elle n'interfère pas avec le signal utile. Un signal à 19 kHz, dit fréquence pilote, et synchrone avec la porteuse à 38 kHz, permet au récepteur de recréer cette porteuse, afin d'en extraire le signa contenu dans ses bandes latérales. Un canal de transmission FM stéréo se compose donc d'une bande de fréquence de 30 Hz à 15 kHz correspondant à la voie mono, de la fréquence du pilote à 19 kHz, et des bandes latérales du 38 kHz, s'étendant de 23 à 53 kHz et correspondant à la voie stéréo. En l'occurrence, les voies gauche et droite sont multiplexées à la fréquence de 38 kHz, chacune des voies étant transmise successivement pendant une durée de 13 µs environ. Le haut du canal peut servir à divers transmissions de données, comme le RDS (Radio Data System). La figure 1 illustre le spectre d'un tel canal FM.
Le schéma électrique
S'il existe maintenant des circuits intégrés réalisant la fonction de codage stéréo (utilisés par exemple dans certains casques stéréo HF sans fils), ceux-ci, ainsi que certains composants qu'ils mettent en oeuvre, sont très peu distribués dans l'hexagone. La réalisation que nous vous proposons utilise des composants conventionnels, dans un montage offrant quelques garanties quant à l'encombrement spectral, et possédant les réglages des niveaux permettant de s'adapter à la plupart des situations. Le synoptique de la figure 2 résume le fonctionnement de ce codeur stéréo, et la figure 3 en représente le schéma électrique.
La génération du 38 kHz et du 19 kHz est obtenue à partir d'un oscillateur à 456 kHz. En effet plutôt que d'utiliser un quartz de fréquence "exotique", nous avons recours ici à un résonateur céramique à 455 kHz. De faible coût, ce composant est taillé par le fabricant pour fonctionner à sa fréquence caractéristique de 455 kHz, lorsqu'il est chargé par une capacité de l'ordre de 40 pF, mais accepte volontiers de fonctionner à 456 kHz grâce à une capacité série, constituée en l'occurrence, par C3 en parallèle avec CV1, dans le montage constitué par le trigger IC 1a.
Le signal en sortie 3 de celle-ci est tamponnée par IC 1b, permettant en outre la commutation en mode mono , avant d'être appliqué sur l'entrée clock de IC 2. Il s'agit d'un 4018, câblé ici en diviseur par 6. Le signal à 76 kHz disponible sur la sortie est dirigé ensuite sur l'entrée clock de la bascule D de IC 3a, en sortie de laquelle nous disposons du 38 kHz, mis en forme par IC 1c et IC 1d, pour être acheminé sur la commande du multiplexeur IC 9. Il s'agit en l'occurrence d'un classique 4053, dont un tiers se consacre au multiplexage des voies G et D, lesquelles parviennent à ses entrées en broche 12 et 13. L'entrée VEE est connectée au -8V, de façon à exploiter le maximum de dynamique possible. En mode monophonique, la porte IC 1c force la commutation sur le canal droit.
La deuxième bascule D contenue dans IC 3 se charge de diviser par 2 le signal de 38 kHz. Le signal rectangulaire à 19 kHz qui en résulte subit une intégration par le réseau R3/R4/P1/C5 avant d'être appliqué sur l'entrée de l'ampli opérationnel, monté en boucle ouverte, constitué par IC 4a. Le signal disponible en sortie de celui-ci, réglable en phase par P1, est appliqué sur l'entrée du filtre passe-bas IC 4b. Le circuit oscillant formé par L1/C8/C9 sélectionne la fréquence fondamentale de 19 kHz, tandis que la capacité C10 en affaiblit les harmoniques. On dispose finalement, sur la sortie 7 de IC 4b, d'un signal sinusoïdal à 19 kHz, dont l'amplitude est ajustable par le potentiomètre P2.
En sortie du premier étage IC 5 (ou IC 7 sur la voie droite) se trouve un circuit réjecteur accordé sur 19 kHz, constitué par L2 (ou L3), et ses capacités associées. Ce réjecteur a pour but d'affaiblir les signaux à 19 kHz, ou proche de cette fréquence, éventuellement à l'entrée. En effet, en raison de la préaccentuation qui suit, ces signaux pouraient atteindre une amplitude préjudiciable à la sous-porteuse pilote.
On trouve ensuite la cellule de préaccentuation à 50 µs, formée par C15 (ou C21) et R14/R15 (ou R22/R23). Rappelons que la préaccentuation a pour but d'augmenter l'amplitude des signaux de fréquence élevée, afin de maintenir le rapport signal sur bruit. En effet, l'amplitude du signal est par nature d'autant plus faible que sa fréquence est élevée. La préaccentuation s'exprime en général par la constante de temps de la cellule qui l'établit. Sa valeur standard est de 50 µs en Europe, tandis quelle est fixée à 75 µs aux USA. A la réception, une cellule de désaccentuation effectue l'opération inverse afin de rétablir l'amplitude originale du signal.
Il faut noter au passage que l'émetteur sur lequel sera raccordé ce codeur stéréo, ne devra pas comporter lui-même de circuit de préaccentuation. S'il en comporte un, celui-ci devra impérativement être désactivé. Bien entendu, cet émetteur devra par ailleurs être en mesure de "passer" la bande nécessaire au signal multiplex.
Le signal multiplex en sortie 14 de IC 9 est tamponné par IC 10 avant d'être appliqué au filtre passe-bas, à basse impédance, qui fait suite. Ce filtre est destiné à éliminer les harmoniques dues au multiplexage à 38 kHz, et sa réponse amplitude-fréquence théorique est reproduite sur la figure 4.
Découplages Alimentation:
Un filtre actif, de même caractéristiques, à base d'amplis opérationnels, aurait nécessité un plus grand nombre de composants de précision. Le potentiomètre P6 permet de régler finement le haut de la bande du filtre. Il importe en effet que cette bande soit la plus "plate" possible afin de ne pas introduire de diaphonie entre les voies G et D. L'amplificateur qui suit en compense la perte d'insertion, et applique le signal sur l'étage additionneur. En sortie de celui-ci, dont la gain est réglable à l'aide de P7, on dispose bien du signal multiplex comprenant le 19 kHz du pilote.
A l'exception des entrées et de la sortie, toutes les liaisons entre étages sont directes. Cela est rendu possible par l'utilisation d'une alimentation symétrique.
L'alimentation
Réalisation
Il n'y a pas de difficulté à signaler quant à la réalisation des 2 circuits. On commencera de préférence par se procurer les composants. En cas de différences physiques (nombre de pas), il sera encore possible de modifier le tracé du circuit imprimé. Il est par contre impératif de respecter au plus près les valeurs des composants, en particulier ceux qui concernent le filtre passe-bas. Si l'on a le bonheur de disposer de lots de composants, et d'un multimètre équipé de fonctions selfmètre et capacimètre, on pourra sélectionner avantageusement les valeurs les plus proches.
Comme à l'habitude, il est recommandé de souder d'abord les straps. Les dessins des circuits imprimés sont représentés respectivement en Figure 6 et 7, tandis que l'implantation est visible sur les figures 8 et 9.
Les potentiomètres seront positionnés conformément au plan d'implantation. Une fois câblées, les cartes seront montées dans un boîtier de préférence métallique, en ayant soin de disposer la carte codeur de façon que ses entrées G et D soient le plus possible éloignées du transformateur d'alimentation.
Les liaisons entre les entrées et la sortie multiplex de la carte avec les connecteurs du boîtier seront réalisées de préférence par du câble blindé.
Après les contrôles habituels, mettre sous tension et vérifier les tensions d'alimentation. Pour mener à bien le réglage de ce montage, il faut disposer au moins d'un fréquencemètre, d'un oscilloscope, et d'un générateur audio (sinus). Dans la procédure de réglage qui suit, nous supposerons que le niveau nominal à 1 kHz des sources audio G et D, ainsi que le niveau de sortie multiplex (ou d'entrée de l'émetteur) sont de 0 dBm, soit 775mVeff/600 Ohms.
- Connecter l'entrée du fréquencemètre sur TP1.
- Mettre l'inverseur en position stéréo, et régler CV1 pour obtenir exactement 456 kHz sur le fréquencemètre.
- Connecter le fréquencemètre sur TP2, et vérifier que l'on mesure bien 38 kHz.
- Vérifier à l'oscilloscope (entrée DC) sur TP2, que le signal rectangulaire, a une amplitude d'environ 8V et que les fronts sont bien raides.
- Connecter la sonde de l'oscilloscope en TP3. On doit observer un signal parfaitement sinusoïdal, dont l'amplitude, peu critique, doit se situer autour de 8V C/C. Vérifier au fréquencemètre que la fréquence est bien de 19 kHz.
- Retirer IC4 de son support Placer les cavaliers JP1 et JP2 en position "normal", c'est à dire en 1 et 2. Connecter le générateur audio simultanément sur les voies G et D (strapper les entrées en parallèle).
Connecter la sonde de l'oscilloscope en TP4 (voie gauche) et vérifier que la composante continue n'excède pas quelques millivolts. Régler le générateur à 1 kHz et 0 dBm, soit 2,2V C/C (vérifier ce niveau à l'oscilloscope) et régler P3 pour obtenir 2,2V C/C.
- Réduire le niveau du générateur de 10 dB (soit 730 mV C/C) et enn régler la fréquence à 10 kHz. Vérifier que l'on retrouve environ 2,2V C/C, par l'effet de la préaccentuation. Augmenter progressivement la fréquence du générateur. Le niveau en TP4 doit continuer à monter jusqu'à environ 15 kHz, puis redescendre progressivement pour atteindre un minimum à 19 kHz, par l'effet de la réjection. Ce minimum doit être au moins 5 fois inférieur au niveau mesuré à 15 kHz (-14 dB).
- Effectuer le même réglage sur la voie droite en reprenant les points 7 et 8 et en remplaçant TP4 par TP5 et P3 par P4.
- Déconnecter le générateur et mettre les entrées G et D en court-circuit.
- Brancher la sonde de l'oscilloscope sur la sortie multiplex du codeur. Régler P5 pour obtenir un minimum de résidu à 38 kHz (pousser la sensibilité verticale de l'oscilloscope pour une observation plus facile).
- Enlever le court-circuit sur les entrées et rebrancher le générateur, à 1 kHz et 0 dBm. Si les réglages précédents ont été effectués correctement, on doit observer en sortie multiplex une trace parfaitement fine. Si tel n'est pas le cas on peut reprendre légèrement le réglage de P3 ou P4 (mais pas les deux! ), de manière que les traces G et D soient confondues.
- Régler P7 pour obtenir l'amplitude de 2,2V C/C en sortie multiplex.
- Déconnecter du générateur l'une des entrées G ou D, et court-circuiter celle-ci.
- Synchroniser l'oscilloscope par son entrée de synchronisation externe en connectant celle-ci sur le générateur, ou, si l'on possède une deuxième sonde, sur TP3 ou TP4 selon l'entrée branchée sur le générateur.
- Régler le générateur autour de 5 kHz de façon à visualiser une image stable de l'enveloppe du signal en sortie multiplex.
- Régler P6 de manière à obtenir la base du signal la plus plate et horizontale possible, comme indiqué sur la figure 10. Le rapport entre la crête du signal et celle de l'ondulation résiduelle à la base du signal exprime le taux de diaphonie entre les voies G et D.
- Déconnecter le générateur et mettre les entrées en court-circuit. Replacer IC4 sur son support. Laisser la sonde de l'oscilloscope branchée sur la sortie multiplex et repasser l'oscilloscope en synchro interne.
- Régler P2 pour obtenir un signal sinusoïdal à 19 kHz d'environ 200 mV C/C. En effet, il doit exister un rapport de 10 entre l'excursion due au signal modulant total et celle due au pilote seul.
- Placer les cavaliers JP1 et JP2 en position "réglage", c'est à dire en 2 et 3. Ceci permet d'obtenir 2 signaux G et D en opposition de phase sans avoir recours à un générateur disposant de 2 sorties indépendantes, rare chez l'amateur.
- Reconnecter le générateur sur les 2 entrées G et D, synchroniser à nouveau l'oscilloscope en externe et régler le générateur autour de 1 kHz afin de visualiser les pointes du signal de façon stable.
- Régler la phase du pilote avec P1 de façon à aligner au mieux les pointes du signal comme indiqué sur la figure 11 (en poussant éventuellement la sensibilité verticale de l'oscilloscope pour une observation plus facile).
- Replacer les cavaliers en position "normale". Le codeur est réglé.
Essais
Connecter la sortie multiplex du codeur sur l'entrée de l'émetteur. Mettre sous tension codeur et émetteur et allumer un récepteur FM (stéréo!) accordé sur la fréquence de l'émetteur. En toute rigueur il conviendrait maintenant de régler le niveau d'entrée de l'émetteur pour obtenir une excursion de 7,5kHz sans signal sur les entrées du codeur (pilote seul). Il faudrait, pour ce faire, disposer d'un démodulateur-excursiomètre ou au moins un analyseur de spectre, ce qui n'est pas le lot de tout un chacun! En pratique, et dans l'enceinte du domicile avec un émetteur de faible puissance, on peut procéder de la façon suivante:
- Sans signal sur les entrées, augmenter progressivement le niveau d'entrée de l'émetteur, ou à défaut le niveau de sortie du codeur par P7 jusqu'à obtenir l'allumage du voyant stéréo sur le récepteur. Continuer à augmenter un peu le niveau au-delà de manière à avoir une petite marge et être sûr que le décodeur du récepteur est franchement verrouillé.
- Brancher le générateur à 1 kHz, 0 dBm sur l'entrée gauche du codeur.
Vérifier que l'on "sort" bien du haut-parleur gauche du récepteur. Si le récepteur baisse dispose de sorties gauche et droite, on pourra connecter l'oscilloscope sur la sortie droite et reprendre légèrement le réglage de P1 et P6 sur le codeur afin d'obtenir le minimum de signal.
- Débrancher le générateur de la voie gauche pour le connecter sur la voie droite, et vérifier que c'est bien le haut parleur droit du récepteur qui est sollicité.
- Basculer l'inverseur du codeur en position mono et vérifier que les 2 haut-parleurs du récepteur sont en action et que le voyant stéréo est éteint. A noter qu'en position mono, seule la voie droite du codeur est active.
- On peut maintenant connecter les sources audio dédiées aux voies gauche et droite.
Rappelons que l'émission est interdite sans autorisation spéciale et que ces essais ne peuvent être qu'expérimentaux en utilisant un émetteur de faible puissance.
(d'après l'article de B.LEBRUN)
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