Objectifs et Mots clés :

Ondes hertziennes, situation dans l'échelle des ondes électromagnétiques ; fréquence, longueur d'onde
Transmission d'informations par voie hertzienne :porteuse et signal ; modulation ; modulation d'amplitude.
Filtrage d'un signal : filtre RC ; filtres passe-bas, filtre passe-haut ; taux de transfert, fréquence de coupure.
Résonance et antirésonance d'un oscillateur forcé ; bande passante ; filtre passe-bande, circuit bouchon.

Les ondes hertziennes

Les ondes hertziennes, utilisées pour les transmissions d'informations, sont de même nature que la lumière visible (ou autres : infra-rouge, ultra-violet, rayons gamma).
Ce sont des ondes électromagnétiques correspondant à la propagation, dans le vide ou la matière, de la variation d'un champ électrique et d'un champ magnétique.

Les documents fournis présente l'ensemble des ondes hertziennes et leurs utilisations.

Qu'est-ce qui les différencie des autres types d'ondes électromagnétiques (lumière visible, etc.) ?

Quelle est le domaine de fréquence des ondes ultra-courtes utilisées pour la transmission radio FM (modulation de fréquence) ? Quel est le domaine de longueur d'onde correspondant (célérité dans le vide : C = 3 . 10⁸ ms^-1 ) ?

Comparer sans calcul à celles utilisées pour les transmissions par satellite.

Emission et réception d'une onde hertzienne : idée générale et observation qualitative

Antenne

a) connectez le câble électrique simple à l'une des voie de l'oscilloscope. Après quelques réglages vous observez un signal périodique assez parasité.

mesurez sa période et calculez sa fréquence ; commentez votre résultat et déduisez l'origine du signal capté.

b) "l'anti-antenne" :

le câble coaxial blindé (câble de liaison à l'antenne de télévision):

- remplacez le câble électrique ordinaire par le câble blindé (la tresse métallique étant reliée à la masse).

- commentez votre observation (intérêt d'avoir une antenne extérieure et intérêt du câble de liaison blindé).

- cherchez une interprétation du rôle du "blindage" constitué par la tresse métallique qui entoure le conducteur central.

Emission et réception

a) Réalisation d'un oscillateur entretenu par un générateur "résistance négative"

Visualisez à l'oscilloscope la tension aux bornes du condensateur et effectuer le réglage de R0 de façon à obtenir une tension périodique.

b) Emission et réception :

Connecter une antenne émettrice (fil ou cadre) entre l'inductance et le condensateur ; connecter une antenne réceptrice à l'autre voie de l'oscilloscope. Observer et conclure.

Recherche documentaire: A partir des documents fournis expliquer le rôle du circuit oscillant et de l'antenne

Transmission d'informations par voie hertzienne

La recherche de moyens de transmission d'information à distance ne date pas d'hier mais a pris dans ce siècle une importance considérable.

La transmission sonore (la voix, le tam-tam...) ou lumineuse (vision directe, télégraphe Chappe au XIXème et actuellement le câblage en fibre optique) en sont quelques exemples fort anciens ou très actuels. La transmission par câble électrique (le téléphone et tous ses dérivés, notamment pour l'informatique) en est un autre exemple.

L'intérêt principal de la transmission hertzienne, pour la radio, la télévision ou le téléphone, est l'absence de support matériel (contrairement au son ou aux transmissions électriques) et la possibilité de transmission à longue portée sans trop d'amortissement (satellites par exemple...).

Mais la transmission d'onde hertzienne de basse fréquence (grande période et grande longueur d'onde) à grande distance est pratiquement impossible ; on ne peut donc pas transmettre directement une onde hertzienne correspondant à un signal audio (son audible par notre oreille : 20 à 20000 Hz).

De plus l'existence de plusieurs émetteurs radio serait impossible car nos récepteur radio ne pourraient pas distinguer les diverses émissions produites dans des domaines de fréquence identiques

D'où la nécessité de la "modulation"

Recherche documentaires : HISTORIQUE

A partir des documents fournis résumer l'historique de la découverte et de l'utilisation des ondes hertziennes.

Transmission d'un signal complexe : MODULATIONS

a) ANNEXE 2 et 3 :

- expliquer les termes : onde porteuse et modulation

- quels sont les 4 méthodes de modulation ?

b) Modulation d'amplitude

Un signal audio (son) converti en signal électrique par un micro, ou audio-visuel (télé), a en général une structure très complexe :

Quelle sera, en modulation d'amplitude (AM) l'allure de l'onde transmise avec la porteuse ci dessous ?

A quelles conditions (sur les fréquence et amplitude de la porteuse) le signal audio sera-t-il correctement transmis ? Pourquoi les porteuses utilisées en AM sont elles dans les domaines de 100 kHz à 10 Mhz sachant que les signaux audio sont dans les domaines 20 Hz à 20 kHz ?

Filtrages

A) Filtre RC passe bas et passe haut

Etude intuitive du filtre RC

ue est une tension alternative de fréquence N (période T) d'amplitude Ume

a) Supposons que la fréquence N de ue soit très petite (période très grande) ; on s'approche alors d'une tension continue : quelle est la tension us aux bornes du condensateur ?
Quelle est la valeur du taux de transfert Ums / Ume?

b) Supposons maintenant le contraire ; la fréquence de ue est très grande ; sa période est très petite et très inférieure à la constante de temps t du dipole RC : le condensateur a-t-il le temps de "réagir" ? Quel est la tension à ses bornes et la valeur du taux de transfert ?

c) Pourquoi ce filtre est il appelé filtre passe-bas. Quel type de filtre obtiendrait on en permutant la résistance et le condensateur (sans démonstration) ?

d) Montrer brièvement qu'une inductance, remplaçant le condensateur dans le montage initial, permettrait de réaliser un filtre passe-haut (on raisonnera sur l'intensité du courant dans R).

e) Pourquoi ces types de filtre ne permettent ils pas d'effectuer la démodulation d'une onde porteuse modulée en amplitude (voir TP modulation ; décomposition en série de Fourier).

Etude expérimentale

Réglages préalables :

Régler l'amplitude de la tension du GBF à environ 6 Volts

Mesures :

A l'aide d'un oscilloscope on mesure les amplitudes Ume et Ums de tensions d'entrée et de sortie pour diverses valeurs de N (fréquence du GBF sinusoïdal) entre 100 et 100 000 Hz .

Représentation graphique du "taux de transfert" Ums/Ume en fonction de N sur papier logarithmique (joint en annexe).

Déterminer la fréquence et la période de coupure de ce filtre, telles que Ums/Ume = 1/

.

Comparer la constante de temps t = R.C du dipole RC à la "période de coupure". Conclusions (comment choisir les caractéristiques du filtre ?)

B) Filtre passe bande

Ce dispositif consiste à coupler un circuit RLC à l'antenne qui joue le rôle d'excitateur périodique et met en jeu le phénomène de résonance (et la notion de bande passante) abordé en tronc commun.

Mais au lieu d'utiliser un circuit RLC série (qui présente un phénomène de résonance en intensité) on utilise un circuit LC en DERIVATION, appelé CIRCUIT BOUCHON et le phénomène d'ANTI-RESONANCE que nous allons explorer.

Etude théorique qualitative du filtre passe-bande : circuit bouchon anti-résonant

En utilisant les idées du paragraphe précédent expliquer (sans démonstration) pourquoi le circuit bouchon (LC en dérivation) filtre une bande de fréquence.

Autour de quelle valeur No de la fréquence du signal d'entrée Ue se situe cette bande de fréquence filtrée ?

Pourquoi ce type de filtre permet-il de sélectionner l'onde porteuse d'un émetteur et "d'éliminer" les autres (si elles ne sont pas trop proches) ?

Etude expérimentale

Mesures :

Les amplitudes des tensions sont mesurées avec l'oscilloscope.

L'intensité (efficace : voir tronc commun) est mesurée avec un ampèremètre.

Réaliser les représentations graphiques possibles : I = f(N) et Ums/Ume = g(N).

Déterminer la fréquence correspondant au taux de transfert maximum : comparer à la fréquence propre de l'oscillateur L-C.

Déterminer la bande passante (à 3 décibels) de ce filtre passe-bande [la bande passante à 3 décibels est, par convention, la bande de fréquence pour laquelle le taux de transfert est supérieur ou égal à sa valeur maximum divisée par ]. Conclure