Exciter 70 MHz simplifié
pour émission de Télévision Numérique Amateur
Les émetteurs de télévision numérique
font généralement appel à une chaîne de traitement
du signal complexe. Il est cependant possible de simplifier considérablement
celle-ci pour ne conserver que les fonctions essentielles. Nous décrirons
ici un petit boîtier capable de génerer un signal de télévision
numérique à partir de séquences vidéo préparées
et enregistrées sur le disque dur d'un ordinateur.
Pour conserver une structure de filtre simple et améliorer de manière
significative la performance en matière d'interférence inter-symboles
il a été développé spécialement pour
cette réalisation un procédé, original et très
facile de mise en oeuvre, de prédistorsion des signaux modulants.
Fonctionnalités
et synoptique de l'exciter
L'exciter
délivrera un signal radiofréquence à 70 MHz qu'il
suffira de transposer dans la bande amateur 1240 MHz - 1300 MHz pour le
rendre compatible avec les récepteurs numériques grand public
FTA à la norme DVB-S. Le signal RF sera modulé au moyen
d'une modulation à quatre états de phase (QPSK) et le débit
binaire sera fixé à 2,048 Mbit/s (débit binaire E1
normalisé en télécommunications).
Côté
signaux d'entrée, un connecteur DB25 accueillera les données
à émettre: transmission de la demande d'un nouvel octet
de données à la source et accueil de l'octet à émettre.
La source de données pourra être constituée:
- soit d'un ordinateur dédié de type PC, avec raccordement
direct sur son port parallèle. L'ordinateur permet de stocker
plusieurs dizaines de Mo de données qui pourront représenter
des séquences vidéo animées de plusieurs minutes
(vidéo et audio),
- soit d'une
"cartouche" comprenant une EPROM (et de quelques circuits assurant le
balayage des adresses). L'EPROM pourra par exemple contenir une mire
avec une animation sommaire et un signal audio,
- soit, ultérieurement,
d'une carte "Compact Flash" qui permettra le stockage de plus d'un quart
d'heure de transmission vidéo+audio ininterrompue.
L'ensemble de l'exciter sera logé dans un boîtier
en fer étamé (boîtier Schubert) de 148 x 74 x 30 mm.
Il sera alimenté sous une tension continue de 12 V, le courant
absorbé étant d'environ 180 mA.
Le sérialisateur
Fonctionnalités
Le sérialisateur demande
successivement à la source de données (ordinateur ou "cartouche")
les octets à transmettre. Ceux-ci sont découpés en
paquets de deux bits (dibits) par le sérialisateur afin de représenter
un point parmi quatre dans la constellation QPSK. Le sérialisateur
contient l'horloge bit "maître" et génère les différentes
horloges système: demande d'un nouvel octet toutes les 3,906 µs,
présentation au modulateur QPSK d'un dibit toutes les 0,977 µs.
L'horloge maître intégrée dans le module sérialisateur
fixe très précisément à 2,048 Mbit/s
le débit binaire sur la voie radio (soit une rapidité symbole
de 1,024 MBaud).
Le sérialisateur sera de
plus doté de fonctions annexes utiles pour le réglage du
modulateur QPSK et le contrôle de la modulation: il pourra à
la demande générer deux signaux I et Q en quadrature avance
ou retard, ou bien un signal modulant pseudoaléatoire.
A noter que le sérialisateur
élabore également, en sus des signaux modulants I et Q,
deux signaux auxiliaires I* et Q* dont le but est d'apporter une correction
à la réponse indicielle des filtres de Nyquist sommaires
qui sont situés sur le circuit imprimé du modulateur QPSK.
On verra que l'on obtient ainsi à moindre coût une amélioration
substantielle de l'interférence intersymboles.
Principe
de fonctionnement du sérialisateur
Deux registres de 8 huit bits A et B sont connectés
alternativement, toutes les 3,906 µs, sur le port parallèle
d'un ordinateur. Ces registres accueillent les données qui sont
fournies par l'ordinateur. Ces deux registres sont en même temps
lus, deux bits par deux bits, toutes les 0,977 µs et le dibit
ainsi obtenu est présenté sur le modulateur QPSK pour
former un point parmi quatre de la constellation.
Amélioration de l'interférence inter-symbole par prédistorsion
des signaux modulants I et Q
Pour apporter une correction à
la réponse globale du filtre de canal (filtre de Butterworth du
5ème ordre à l'émission + racine de cosinus surélevé
à la réception), il faut de plus créer et appliquer
au modulateur QPSK le couple de signaux de prédistorsion I* et
Q* qui minimise l'interférence inter-symboles. Après étude
approfondie du phénomène, il ressort que les signaux de
correction I* et Q* doivent être des signaux précurseurs,
de niveaux inversés par rapport à leurs référents
I et Q et présentant une avance d'une durée symbole.
Nous verrons plus bas que cette disposition très
simple à mettre en oeuvre (en fait deux fils et deux résistances
de pondération à ajouter au montage) apporte une amélioration
spectaculaire de l'interférence inter-symboles.
Réalisation
pratique du sérialisateur
- schéma électrique
(cliquer pour ouvrir le schéma)
Le schéma nécessite peu de commentaires.
Les composants principaux sont au nombre de deux: un CPLD d'entrée
de gamme Altera EPM7064SLC44-10 et un oscillateur à quartz de
8,192 MHz. Les CPLD étant des composants "nerveux", on s'appliquera
à effectuer avec soin les découplages d'alimentation au
moyen de plusieurs condensateurs CMS de 2,2 nF et de 100 nF. Le
circuit imprimé est conçu comme celui d'un circuit HF:
un plan de masse en partie supérieure et de nombreuses connexions
traversantes. Pour des raisons de simplicité de réalisation
du circuit imprimé (une face et demi), il subsistera quelques
raccordements à effectuer soigneusement au moyen de fil isolé
de faible diamètre. Un régulateur 5 V assure la stabilisation
de la tension d'alimentation.
Un cavalier permettra de choisir un mode de fonctionnement parmi cinq:
trois modes de réglage (quadrature avance, quadrature retard,
générateur pseudo-aléatoire), un mode d'exploitation
(entrée externe DB-25) et un mode porteuse pure, obtenu en retirant
simplement le cavalier. Il est éventuellement possible de raccorder
directement un commutateur (un circuit-cinq positions) sur ces entrées
pour choisir le mode de fonctionnement souhaité depuis le panneau
avant de l'émetteur.
Attention à ne pas inverser les fils I* et Q* ! La correction
ne serait pas appliquée convenablement !
- circuit imprimé
téléchargez le circuit
imprimé au format Eagle ou .bmp (33 ko zippés)
Configuration
du CPLD, schéma logique
Le schéma logique est visualisé en ouvrant
le fichier "serialisateur2.gdf", fourni plus bas, au moyen du logiciel
Maxplus+ II de Altera. Le schéma logique comporte six grandes
parties:
- un sérialisateur dont la pièce maîtresse
est un double multiplexeur à 8 entrées et 2 sorties.
Son schéma reprend le synoptique du sérialisateur vu
plus haut,
- un générateur pseudo-aléatoire qui fournit
sous forme série une suite de 32767 bits. Il est suivi d'un
désérialisateur qui produit les groupes de 2 bits IQ,
- un générateur de signaux quadrature avance et quadrature
retard,
- un multiplexeur à 5 entrées et une sortie qui permet
d'effectuer le choix de la source de données à partir
des informations de sélection de mode,
- deux bascules de sortie qui, par leur fonctionnement synchrone,
garantissent le timing précis des signaux. Une bascule est
utilisée pour produire les signaux logiques de prédistorsion
I* et Q*, l'autre pour délivrer les signaux I et Q.
- enfin une échelle de comptage synchrone fournit les divers
signaux d'horloge nécessaires au fonctionnement de l'ensemble.
Programmation
Le transfert de la configuration s'effectue au moyen du logiciel Maxplus+
II et du programmateur "ByteBlaster". Ce dernier est connecté
d'une part sur le port parallèle d'un ordinateur PC, d'autre
part sur le connecteur à 10 broches situé sur le circuit
imprimé sérialisateur. Le programmateur "ByteBlaster"
et la procédure de transfert ont déjà été
décrits dans
un article précédent. Le transfert est très
rapide, il s'effectue en quelques secondes.
Le modulateur QPSK
Le modulateur QPSK a déjà
été entièrement décrit (schéma, circuit
imprimé, réglages) dans un article précédent
auquel le lecteur pourra se reporter.
Réalisation de
l'exciter et interconnexion entre les circuits
Les deux circuits imprimés
sont fixés dans un boîtier Schubert de 148 x 74 x 30 mm.
Les deux régulateurs de tension 7805 sont placés contre
la paroi du boîtier qui fait ainsi office de radiateur. Un condensateur
de traversée de 1 nF assure le passage du + 12 V de l'alimentation.
Une prise DB-25 mâle accueille les octets à émettre
qui proviennent, soit d'une cartouche contenant une EPROM, soit du port
parallèle d'un ordinateur de type PC. La prise DB-25 achemine également
le signal de contrôle de flux qui est transmis sur le fil Ack. Le
câblage de la prise DB-25 respecte le standard adopté pour
les ports parallèles d'ordinateurs.
Bien faire attention
à ne pas inverser les fils transmettant les signaux de correction
I* et Q* (et également les fils I et Q auxquels ils se rapportent).
La correction ne serait plus assurée et le remède serait
même plus grave que le mal !
Signaux obtenus à
l'aide du générateur de signaux test intégré
L'absence de cavalier produit en
sortie une porteuse pure à 70 MHz. Les deux premières
positions du cavalier correspondent aux signaux de réglage du
modulateur QPSK quadrature avance et quadrature retard. On doit dans
ces conditions obtenir respectivement une raie à + 256 kHz, et
à - 256 kHz de la porteuse. La position suivante produit un signal
de test pseudo-aléatoire, dont le spectre est semblable à
celui d'une émission de télévision numérique.
Enfin la dernière position autorise l'entrée des données
à émettre sur le connecteur DB-25.
(cliquer sur les vignettes pour les agrandir)
La constellation
Il a été possible
de connecter cet exciter 70 MHz QPSK sur un appareil professionnel qui
permet de visualiser la constellation telle qu'elle est vue par un récepteur
satellite numérique grand public (filtrage en racine de cosinus
surélevé, alpha = 0,35). En transmettant une séquence
pseudo-aléatoire au moyen du générateur de signaux
test intégré on visualise la constellation.
Voici ci-après la constellation
obtenue sans mise en oeuvre de la prédistorsion, c'est à
dire avec I* et Q* inopérants (entrée logique I* reliée
à l'entrée logique I et entrée logique Q* reliée
à l'entrée logique Q):
L'interférence intersymboles est relativement importante.
On peut déceler que chaque point de la constellation est en fait
constitué de quatre groupes de points.
En connectant maintenant la prédistorsion (c'est
à dire en connectant les entrées I* et Q* en sortie du
CPLD), on constate une amélioration spectaculaire de l'interférence
inter-symboles:
Le résultat optimum est obtenu en prenant pour
les résistances de pondération R29 et R30 du modulateur
QPSK une valeur de 1,5 kohm.
Le raccordement à
un ordinateur
Le raccordement sur le port parallèle
d'un ordinateur s'effectue au moyen d'un câble court muni de deux
connecteurs DB-25: un connecteur mâle à une extrêmité,
un connecteur femelle à l'autre. Le câble doit comporter
au minimum 10 fils et sa longueur ne doit pas excèder 60 cm sous
peine d'affecter la transmission des signaux rapides (un octet transite
en effet dans le câble toutes les 3,9 µs).
Logiciel et fichiers
L'ordinateur PC doit stocker sur
son disque dur les données à émettre, puis les
transfèrer en RAM avant toute transmission, ceci pour un accès
plus rapide. Afin d'assurer un contrôle du flux de données,
l'ordinateur doit en outre scruter le fil Ack de son port parallèle
et présenter un nouvel octet à chaque changement de niveau
logique sur Ack. Pour ces raisons, il est nécessaire d'implanter
un petit logiciel de gestion et de dialogue à l'intérieur
du PC. Les informations relatives au système d'exploitation et
au logiciel ont déjà été données
dans un article
précédent.
Les fichiers vidéo sont élaborés
à l'aide du logiciel Manzanita (gratuit en version démonstration)
et du logiciel TS188ToIQ.exe écrit par Evariste, F5OEO. Les détails
de confection des fichiers ont également été fournis
dans un article précédent.
Le lecteur pressé de visualiser des images trouvera
ci-après un fichier IQ, prêt à l'emploi, représentant
une mire de barre.
télécharger le fichier
mire de test "test.psk" (333 ko zippé)
NB : le fichier ci-dessus fournit
des données IQ prêtes à être injectées
dans le sérialisateur. Il est prévu pour un débit
binaire de 2,048 Mbit/s sur la voie radio, S/R = 1,024 MBaud, FEC = 1/2.
Le débit vidéo est de 800 kbit/s. Le fichier représente
une mire de barres et une petite animation pour permettre la détection
des gels d'images. Sa durée est de 2 secondes. Pour une transmission
continue, il est nécessaire de boucler logiciellement sa fin sur
son début.
Transmission d'images
de télévision numérique
L'objectif final est bien entendu
de créer un véritable émetteur numérique
qui fera appel au présent exciter à 70 MHz, à une
transposition, à un filtrage et enfin à une amplification
RF.
On peut cependant dès à
présent commencer à visualiser des images en connectant
la sortie de l'exciter sur un simple mélangeur équilibré
complèté par un oscillateur génèrant une
oscillation locale à F-70 MHz ou à un de ses sous
multiples. Ainsi un oscillateur à 300 MHz avec un niveau de sortie
de + 7 dBm pourra battre avec le signal issu de l'exciter à 70
MHz pour générer un signal à (300x4) + 70 = 1270
MHz. Le niveau d'émission n'est pas très important, mais
une petite antenne connectée directement en sortie du mélangeur
permet déjà de transmettre le signal de télévision
numérique à quelques mètres.
