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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.

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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 ?

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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 ?

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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.

divers_lampe_solaire_001a divers_lampe_solaire_001b divers_lampe_solaire_001c divers_lampe_solaire_001d

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

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).