radio

3.4

Bruit

Le bruit constitue un problème important pour tous les récepteurs radio. Chaque type de bruit se caractérise par un type particulier de son et par une cause spécifique. On citera le ronflement, une note stable à basse fréquence généralement produite par l'alimentation en courant alternatif (habituellement 50 Hz) et mélangée au signal du fait d'un filtrage ou d'un blindage insuffisant ; le souffle est une note stable à haute fréquence, tandis que le sifflement est une note pure à haute fréquence produite par une oscillation inopinée en audiofréquence ou par le battement de deux signaux de fréquences supérieures. Ces bruits peuvent être éliminés par une conception et une construction correctes.

Cependant, certains types de bruit ne peuvent pas être éliminés. C'est notamment le cas des parasites dans les postes AM usuels à basse et à moyenne fréquences. Les parasites peuvent être dus au fonctionnement d'un équipement électrique à proximité (comme des moteurs de voiture et d'avion), mais le plus souvent, il sont générés par la foudre. Les ondes radio produites par de telles perturbations atmosphériques pouvant traverser des milliers de kilomètres en étant relativement peu atténuées, il y a presque toujours des parasites. Les parasites affectent les récepteurs FM de bien moindre façon, parce que l'amplitude des ondes intermédiaires y est limitée par des circuits spéciaux (limiteurs) avant la discrimination. Cette limitation supprime les effets des parasites, qui ne perturbent le signal qu'en y superposant une modulation d'amplitude aléatoire.

Une autre source fondamentale de bruit est l'agitation thermique des électrons. Dans tout conducteur à une température supérieure au zéro absolu, les électrons se déplacent de manière aléatoire. Comme tout mouvement d'électrons constitue un courant électrique, ce mouvement thermique donne naissance à un bruit quand l'amplification est trop importante. Un tel bruit peut être évité si le signal reçu de l'antenne est beaucoup plus intense que le courant causé par l'agitation thermique. En tout état de cause, ce bruit peut être minimisé par une bonne conception. Un récepteur théoriquement parfait aux températures ordinaires peut capter de manière intelligible une émission radiophonique parlée pour une puissance de signal au niveau de l'antenne de seulement 4 × 10^-18 W (4 attowatts). Dans les récepteurs radio usuels, cependant, une puissance de signal beaucoup plus élevée est nécessaire.

3.5

Alimentation

Un équipement radio n'a pas de parties mobiles, sauf le cône du haut-parleur, qui vibre dans un intervalle de quelques millièmes de centimètres. Par conséquent, la seule énergie nécessaire au fonctionnement de la radio est l'énergie électrique, qui meut les électrons dans les différents circuits. Dans les années 1920, lorsque les radios commencèrent à se répandre, la plupart de ces appareils fonctionnaient sur piles. Bien que les piles soient toujours largement utilisées dans les appareils portatifs d'aujourd'hui, une alimentation sur secteur présente des avantages, parce qu'elle donne au concepteur plus de liberté dans le choix des composants du circuit. Elle offre également à l'utilisateur un plus grand confort d'utilisation.

Si l'alimentation en courant alternatif est en 220 V, ce courant pourra alimenter directement le bobinage primaire d'un transformateur, et l'énergie électrique à la tension désirée sera obtenue au niveau du bobinage secondaire du transformateur. Ce courant secondaire doit être redressé et filtré avant de pouvoir être utilisé, parce que les transistors ont besoin de courant continu pour fonctionner correctement. Les tubes électroniques ont besoin de courant continu pour leur courant de plaque (anodique), alors que leurs filaments peuvent être chauffés par un courant soit continu soit alternatif ; mais, dans ce dernier cas, il y a risque de production d'un bruit de ronflement.

Les radios à transistors n'ont pas besoin, pour fonctionner, d'une tension continue aussi élevée que celle des radios à tube d'autrefois. Cependant, des alimentations sont toujours nécessaires pour convertir en tension continue la tension alternative fournie par les compagnies de distribution d'électricité, et pour réduire ou augmenter la tension à la valeur requise, par recours à des transformateurs. Les radios embarquées dans les avions et les automobiles sont alimentées à une tension de 12 à 24 volts en continu. Elles comportent souvent des circuits convertissant la tension continue fournie en tension alternative. Cette tension alternative est ensuite amplifiée ou réduite par un transformateur pour atteindre le niveau requis, puis à nouveau convertie en tension continue par redressement. Les radios d'avion et d'automobile fonctionnant sur courant continu à des tensions comprises entre 6 et 24 volts comportent toujours des dispositifs éleveurs de tension de ce type. L'avènement des transistors, des circuits intégrés et autres dispositifs électroniques à semi-conducteurs, plus petits et réclamant très peu de courant, a de nos jours pratiquement éliminé l'emploi des tubes à vide pour la radio et la télévision comme dans les autres types d'équipements et d'appareils de communication.

4

Historique

Bien que de nombreuses découvertes dans le domaine de l'électricité aient été nécessaires au développement de la radio, celui-ci commença réellement en 1873, avec la publication, par le physicien britannique James Clerk Maxwell, de sa théorie de l'électromagnétisme, impliquant l'existence d'ondes électromagnétiques.

4.1

La fin du XIXe siècle

Quelque quinze ans plus tard, le physicien allemand Heinrich Hertz générait, pour la première fois, de telles ondes avec une source électrique. Il chargea électriquement un condensateur, puis le court-circuita à l'aide d'un éclateur. Dans la décharge électrique qui s'ensuivit, la quantité de charges électriques déplacées dépassa le point neutre, développant une charge de même valeur et de signe opposé sur les armatures du condensateur, puis ces charges électriques continuèrent de passer par va-et-vient d'une armature à l'autre du condensateur, créant ainsi une décharge électrique oscillatoire apparaissant sous la forme d'une étincelle. Une partie de l'énergie de cette oscillation fut rayonnée par l'éclateur sous forme d'ondes électromagnétiques, que l'on nomma ondes hertziennes.

Les travaux de Hertz comprenaient plusieurs montages qui allaient constituer pour longtemps la base technologique du développement de la radio. Son expérience, réalisée en 1887, s'organisait autour des deux éléments fondamentaux d'un système radioélectrique, l'émetteur et le récepteur. Le premier était constitué d'un générateur d'oscillations de haute fréquence, ou « excitateur », dans lequel des étincelles étaient produites par un éclateur à boules. Le second, dénommé alors « résonateur », éloigné de plusieurs mètres, permit à Hertz d'observer une étincelle témoignant de l'existence d'oscillations de haute fréquence induites à distance. Il en mesura diverses grandeurs, dont la longueur d'onde et la vitesse de propagation. Ce fut sur cette base que de multiples éléments vinrent progressivement se greffer pour déboucher sur une utilisation pratique des ondes hertziennes. L'apport du physicien Édouard Branly fut fondamental en ce domaine. En 1890, il réalisa un tube radioconducteur à limaille métallique qu'il impressionna jusqu'à 30 m avec les ondes produites par un appareillage de Hertz. Ainsi fut réalisé le premier détecteur d'ondes électromagnétiques. Complété par le physicien anglais sir Oliver Joseph Lodge, il devint le « cohéreur », élément central de tout appareil récepteur de télégraphie sans fil pendant plusieurs années. Aux travaux de Hertz et de Branly, il conviendrait d'ajouter ceux de Nicolas Tesla et d'Alexandr Popov. Ce dernier réalisa la première expérience attestée de « télégraphie sans fil », à Saint-Pétersbourg, le 7 mai 1895. Son apport fondamental à cette histoire du télégraphe fut l'ajout d'une antenne aux systèmes de réception et d'émission, ce qui lui permit des résultats extrêmement encourageants. Il transmit des messages en code Morse et démontra ainsi la portée pratique de l'utilisation des ondes hertziennes.

Guglielmo Marconi organisa de manière plus rationnelle ces différents éléments, constatant alors le rôle essentiel joué par la prise de terre et révélant l'influence de la hauteur de l'antenne. À quelques mois d'écart, il obtint des résultats très sensiblement supérieurs à ceux de Popov, transmettant ainsi, à la fin de l'année 1895, un message en morse à une distance de 2 400 m. En 1897, il transmit des signaux de la côte jusqu'à un navire situé en mer, à 29 km de là. En 1899, il établit entre l'Angleterre et la France une communication commerciale, fonctionnant quel que soit le temps. En 1901, il réussit à envoyer un message d'une seule lettre à travers l'océan Atlantique. À partir de 1902, des messages furent régulièrement envoyés à travers l'Atlantique et, dès 1905, de nombreux bateaux utilisaient la radio pour communiquer avec les stations côtières. Pour son travail de pionnier dans le domaine de la télégraphie sans fil, Marconi partagea, en 1909, le prix Nobel de physique avec le physicien allemand Karl Ferdinand Braun.

Pendant cette période, différentes améliorations techniques furent réalisées. Les circuits résonants, constitués d'une impédance et d'un condensateur, furent utilisés pour accorder les appareils. Les antennes furent améliorées, et leurs propriétés directionnelles furent découvertes et utilisées. On employa des transformateurs pour augmenter la tension transmise à l'antenne. D'autres détecteurs furent développés pour remplacer le cohéreur, peu pratique en raison de la nécessité de lui imposer une secousse pour libérer la limaille. On citera le détecteur magnétique, qui utilisait la capacité des ondes radio de démagnétiser les fils d'acier ; un bolomètre, mesurant l'augmentation de température d'un fil fin lorsqu'il est traversé par des ondes radio ; la valve de Fleming, le précurseur du tube thermoélectronique ou tube à vide.

4.2

Le XXe siècle

Le développement du tube à vide remonte à la découverte par l'inventeur américain Thomas Edison qu'un courant passe entre le filament chaud d'une lampe à incandescence et une autre électrode de cette même lampe, et que ce courant passe dans une seule direction. La valve de Fleming n'était pas foncièrement différente du tube d'Edison. Développée par le physicien britannique John Ambrose Fleming en 1904, ce fut la première des diodes, ou tubes à deux électrodes, à être utilisée dans les matériels radio. Ce tube servit alors de détecteur, de redresseur et de limiteur.

Un progrès révolutionnaire, rendant possible l'avènement de l'électronique, fut réalisé en 1906, lorsque l'inventeur américain Lee De Forest monta un troisième élément, la grille, entre le filament et la cathode d'un tube à vide. Le tube de De Forest, qu'il nomma « audion » mais que l'on désigne de nos jours sous l'appellation de triode (tube à trois électrodes), ne fut d'abord utilisé que comme détecteur, mais ses possibilités comme amplificateur et comme oscillateur furent rapidement découvertes, et lui donnèrent un rôle décisif. Historiquement, les développements de la radio et de l'électronique furent toujours liés. Les propriétés de l'audion furent progressivement mises au jour dans les années précédant la Première Guerre mondiale.

Ce fut l'Allemand Alexandre Meissner qui le premier déposa, en 1913, un brevet couvrant la production d'oscillations par un composant électronique. En 1912, les propriétés de redressement des cristaux découvertes par l' Américain Greenleaf Whittier et le circuit régénérateur mis au point par l'ingénieur électricien américain Edwin Howard Armstrong Pickard permirent d'améliorer encore les matériels commercialisés. Dès 1915, la téléphonie sans fil avait progressé à un point tel qu'une communication fut établie entre la Virginie et Hawaii et entre la Virginie et Paris.

La meilleure compréhension des modes de transmission des ondes constitua un autre élément décisif de progrès. En 1902, l'ingénieur électricien américain Arthur Edwin Kennelly et le physicien britannique Oliver Heaviside (de façon indépendante et presque simultanément) annoncèrent l'existence probable d'une couche de gaz ionisés à haute altitude dans l'atmosphère, affectant la propagation des ondes radioélectriques. Cette couche, autrefois nommée couche de Heaviside, ou de Kennelly-Heaviside, est l'une des nombreuses couches constituant l'ionosphère. Bien que l'ionosphère soit transparente aux longueurs d'onde radio les plus courtes, elle réfracte ou réfléchit les longueurs d'onde plus importantes. Du fait de cette réflexion, les ondes radioélectriques peuvent se propager bien au-delà de l'horizon.

La propagation des ondes radio dans l'ionosphère varie fortement suivant l'heure, la saison et l'activité des taches solaires. De légères variations de la nature et de l'altitude de l'ionosphère peuvent survenir en un court laps de temps et affecter la qualité d'une réception à longue distance. L'ionosphère est également responsable du phénomène de rebond, qui se traduit par une réception à grande distance d'un signal alors que celui-ci ne peut être reçu à une distance moindre de l'émetteur. Ce phénomène se produit lorsque l'onde de sol est absorbée par les terrains de la zone intermédiaire, alors que l'onde de ciel, se propageant par réflexion sur l'ionosphère, n'est pas réfléchie selon un angle suffisamment aigu pour pouvoir être reçue à proximité de l'antenne.