Dernière mise à jour :
28/10/2012
Présentation
Du simple sujet d'expérimentation avec une ampoule
à filement placée à quelques dizaines de centimètre d'une LDR
(photorésistance) au projet plus ambitieux basé sur un laser parcourant
plusieurs dizaines de mètres avant de frapper une cellule
photovoltaïque, on peut envisager bien des solutions, ne serait-ce
qu'avec des LED IR (infrarouge) comme celles qui équipent certains
casques audio sans fils. Le présent article présente quelques façons de
procéder, des schémas pratiques seront proposés ultérieurement... si
j'en ai le temps !
Lampe (ou LED) + LDR : le plus simple
Dans l'hypothèse où la
qualité sonore est secondaire (transmission de parole par exemple), il existe une façon très simple de
réaliser un système de transmission audio sans fil basé sur de la
lumière visible. Il suffit en effet de mettre en regard une ampoule à
incandescence (ou une LED haute luminosité) côté émetteur, et une LDR
(Light Dependant Resistor, photorésistance) côté récepteur.
La
lumière émise est modulée
en amplitude par un circuit amplificateur de courant qui peut rester
très simple (quelques composants
classiques suffisent), et la lumière reçue par la LDR est traduite en
variations de tension qui après (pré)amplification permettent de
restituer
le signal de la source sonore (un simple AOP avec un peu de gain suffit
pour disposer d'un signal de niveau ligne). La résistance R forme en
effet avec la LDR un pont diviseur dont la tension de
sortie (point commun des deux composants) varie en fonction de la
lumière reçue. Bien sûr, ce type de procédé n'est pas
de très haute qualité, la distorsion peut être assez élevée (à cause de
la non-linéarité de la LDR) et la bande
passante est plutôt étriquée. Mais pour de la voix humaine, et pour
s'amuser, c'est drôlement formateur (ce genre de montage permet entre
autre de se rendre compte à quel point une LDR peut être sensible). La
limitation de la bande passante
est liée à deux facteurs :
- dans le bas du spectre et côté
récepteur, on a intérêt à
bien filtrer le 50 Hz (ou 100 Hz) si on ne veut pas entendre une belle
ronflette dès qu'on allume une lampe secteur dans le voisinage. Dans la
pratique, et parce qu'un montage supposé simple à la base ne peut
s'encombrer d'un filtre hautement performant à pente très raide, on se
contentera d'un début de bande à 300 Hz (comme pour les voix de
communication du téléphone). Cette limite peut à la limite être
abaissée si la LDR est placée dans un tube sombre protecteur et bien
orientée dans l'axe de la source lumineuse. Filtrer les basses
fréquence côté émetteur est aussi un petit plus car le plus gros de
l'énergie sonore est concentré dans le bas du spectre, et pour ce cas
précis on préfère ne pas "sur-moduler" la lampe.
- dans le haut du
spectre, on est assez vite limité par l'inertie de la source lumineuse
et par celle de la LDR. Côté ampoule, l'inertie est moindre quand on ne
chauffe pas le filament à plein pot tout le temps. Mais évidement, avec
un éclairage moins énergique, la portée (et le rapport signal / bruit)
diminue fortement. Côté LDR il n'y a pas de miracle, on ne peut
que s'appuyer sur ses caractéristiques propres.
Cette méthode
permet de travailler en monophonie mais pas en stéréophonie, ou alors
il faut réaliser le système en deux exemplaires totalement découplés
(séparés physiquement). Pas très élégant.
LED IR (infrarouge) + photodiode
On peut se permettre d'utiliser un procédé autrement plus performant,
car les LED IR et les photodiodes sont bien plus rapides que les ampoules à incandescence et
les LDR. Ces composants peuvent en effet fonctionner à des fréquences de 100 kHz au moins.
Fonctionnement en bande de base
Résultats
corrects mais sans plus, la transmission du signal audio en bande de
base signifie simplement que le faisceau de lumière infrarouge est
directement modulé en amplitude par le signal audio à transmettre.
C'est la méthode qui était employée avec la LDR vu précédement. Bande
passante plus que correcte puisque la plage des signaux audibles
s'arrête entre 15 kHz et 20 kHz selon les individus et leur âge. On a
de la réserve, et cette réserve peut être mise à contribution pour
moduler une porteuse posée bien au-delà de 20 kHz et qui permet la
transmission de signaux audio additionnels pour bénéficier de la
stéréophonie. Porteuse à 38 kHz par exemple,
je dis ça au hasard...
Fonctionnement en modulation de fréquence
Pour
profiter au mieux de ce couple optique, il est toutefois conseillé de
travailler avec un faisceau lumineux dont l'amplitude est toujours
maximale et constante (qui ne varie pas en fonction du contenu audio,
comme c'est le cas avec la méthode simple vue ci-avant). Dans ce cas,
on utilise une porteuse dont la fréquence instantanée est modulée
par le
signal audio. Pourquoi est-ce mieux de procéder ainsi ? Parce qu'en
usage
normal (en bande de base), le rapport signal / bruit (rapport entre
bruit de fond et signal audio utile) est
plutôt mauvais, on a rapidement trop de "bruit" côté réception. En
effet, la moindre source de chaleur telle qu'une ampoule à
incandescence, un fer à repasser ou ne serait-ce qu'une cigarette peut
venir perturber le récepteur (notons en passant que certaines
photodiodes disposent d'un filtre optique intégré pour limiter
l'influence de la lumière ambiante). En utilisant la modulation de
fréquence, on "complique" la fabrication du montage mais on obtient des
résultats sonores bien meilleurs. Pour sa mise en oeuvre, on fait appel
à un VCO
(Voltage Controled Oscillator, oscillateur commandé en
tension) qui transcrit les variations d'amplitude du signal audio
en variations de fréquence de la porteuse de l'émetteur, et un
discriminateur (opération inverse pour restituer une tension
proportionnelle à la fréquence) coté récepteur. C'est en gros le même
principe que celui adopté pour les émetteurs radio FM (bande 88-108
MHz) et leurs récepteurs associés, mais avec un fonctionnement à
fréquence plus basse (au minimum une centaine de kHz pour une
diffusion mono de qualité standard). La
stéréophonie peut là encore être obtenue par l'ajout d'un codeur stéréo
côté émission et d'un décodeur stéréo côté
réception, mais attention alors si on veut de la hifi, la fréquence de
la porteuse doit être remontée, on ne peut plus se contenter d'une
fréquence de 100 kHz... ce qui ne pose pas de problème majeur si la
photodiode utilisée en réception arrive à suivre (en 1973, les
photodiodes Siemens utilisées dans les premiers prototypes de
transmetteurs audio infrarouge pour téléviseur montaient à 100 kHz -
alors aujourd'hui on sait peut-être faire mieux).
Ajout d'une optique dédiée ?
Pour
la transmission par lumière visible ou IR, on peut ajouter un jeu
de lentilles côté émetteur et côté récepteur pour focaliser le faisceau
et optimiser la portée de la transmission. Avec ce simple artifice, on
peut facilement obtenir une portée de plusieurs mètres.
Laser + cellule photovoltaïque
A lire avant de continuer :
Laser et danger.
Et
si au lieu d'utiliser une LDR ou une photodiode on utilisait une
cellule solaire frappée de plein fouet par un faisceau laser ?
+
Une LDR est une résistance qui varie en fonction de
la quantité de lumière qui frappe sa surface sensible, et une
photodiode est une diode qui laisse passer un courant plus élevé dans
les mêmes conditions. Une cellule solaire produit une
tension (ou plutôt un courant mais on ne va pas entrer dans les détails
ici) quand elle est éclairée par le soleil, alors pourquoi ne pas
tenter quelque chose de ce côté là ? Bien sûr on ne dispose pas d'une
excellent linéarité car la tension (ou courant) de sortie de la
cellule n'est pas vraiment proportionnel au flux lumineux reçu,
mais qu'est-ce que
ça
coûte d'essayer ?
En
modulant l'amplitude du courant dans le faisceau laser avec la source
audio et en utilisant une cellule photovoltaïque (cellule solaire) à la
réception, on peut obtenir des résultats intéressants, même sur des
distances assez conséquentes. Pourquoi ? Tout simplement car la lumière
se disperse bien moins vite qu'avec une LED ou une ampoule à
incandescence, et le flux reçu côté récepteur est toujours d'un bon
niveau. Bien sûr, la divergence du faisceau laser fait qu'au bout de
quelques dizaines de mètres on commence à avoir une baisse conséquente
de flux lumineux sur une même surface, mais c'est très intéressant à
tenter. Les tests peuvent se faire avec une cellule solaire bon marché,
non pas achetée à l'unité chez un revendeur de composants
électroniques, mais dans une grande surface dédiée bricolage qui à un
moment donné proposait un piquet lumineux pour extérieur avec sa LED,
sa batterie et sa cellule solaire pour... 1,50 euro.
Aucun
scrupule à
désosser l'engin ! En plus, même pas besoin de se casser la tête à
fixer des fils électriques sur la cellule solaire, ils arrivent tout
prêt. Sans rire... un accu NiMh 200 mAH, une cellule solaire 0,06 W et
une LED pour 1,49 euros. Qui dit mieux sans passer par la bay ? Pour
être franc, je n'aurais sans doute pas envisagé de faire ce genre
d'expérience si je n'avais pas vu cette offre. Il suffit parfois de peu.
Remarques
- Le
symbole AMPLI représenté sur le synoptique qui précède est pour être
plus exact un convertisseur tension / courant. La quantité de lumière
émise par le faisceau laser répond à une variation de courant et non de
tension. Ce n'est pas obligatoire mais cela permet une meilleure
linéarité entre amplitude source audio et flux lumineux. Je sais, une
fois le flux de lumière réceptionné sur la cellule photovoltaïque,
on n'en profite pas tellement... quoi que.
- Le courant maximal
qui circule dans la diode laser ne doit en aucun cas dépasser la valeur
maximale permise par le fabricant, même si une pointe occasionnelle de
courant peut être tolérée. Le courant maximal dans le laser doit
correspondre aux crêtes de modulation audio.
Transmission en numérique
On
peut fort bien numériser le signal audio avant sa transmission,
et dans ce cas
bénéficier d'un excellent rapport signal / bruit à la réception. La
qualité sonore ne dépend plus alors que de la qualité des
convertisseurs A/N côté émetteur et N/A côté recepteur. Une
numérisation à une fréquence d'échantillonnage de 32 kHz permet de
disposer d'une bande passante de 15 kHz au mieux, ce qui est déjà très
bien (saviez-vous que c'est la limite en diffusion FM ?). Ceci dit,
attention au débit requis pour un tel signal numérisé. En admettant
qu'on travaille avec une quantification de 16 bits, cela pousse à
envoyer 15000 (Hz) * 16 (bits) par seconde, et ce pour un signal mono
et sans aucun bit de contrôle. Là, tout est dans les caractéristiques
des éléments optiques utilisés, si vous saviez à quelle vitesse on
arrive aujourd'hui à travailler avec les diodes laser et fibres
optiques... Renseignez-vous simplement sur le débit max permis par une
liaison ADAT en audio pro... et encore, ce n'est rien à côté de ce
qu'on sait faire maintenant. Une solution plus "économique" consiste à
transmettre un signal dont la fréquence est modulée par le signal audio
à transmettre. A la réception, un démodulateur FM (discriminateur)
suffit pour retrouver le signal audio d'origine (modulant).