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Christian Couderc

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Loch et speedomètre

Publié dans Electronique de bord lundi, 06 février 2017 05:28 0
Loch et speedomètre

   Roue à aube, non clickable de 2 ko

Introduction 
Loch traîné 
Hélice ou roue à aube 
Le système électromagnétique 
Les systèmes Doppler 
Les méthodes dérivées 
Loch sans capteur 
La VMG 
FAQ
Liens

Maj : 17/04/07

 Abstract :
A digest of all existing systems to determine speed and distance on a boat, direct methods giving a distance and speed by derivation, or indirect ones deducted from calculation of the position. These devices will replace classic systems with sensors under the hull.

 Résumé :
Un résumé de tous les systèmes existants pour déterminer vitesse et distance sur un bateau, les méthodes directes donnant la distance et dérivant la vitesse, les méthodes indirectes les déduisant du calcul de la position. Ces dispositifs remplaceront les systèmes classiques à capteurs sous la coque.

 

 

 Introduction

Loch et speedomètre. Plus précisément mesure de la distance et de la vitesse à bord d'un bateau. Il existe deux méthodes pour connaître la vitesse.

 Mesure directe par un capteur donnant une valeur numérique de vitesse. C'est la méthode traditionnelle ancienne. Le résultat n'est pas un vecteur mais une valeur absolue, la direction est indéterminée ainsi que le sens (sauf système électromagnétique).
 Mesure indirecte, par une dérivation de la position connue (maintenant toujours par GPS ), qui donne un vrai vecteur vitesse.
[Vitesse x = d X / d T] et [Vitesse y = d Y / d T]

Il est bien évident que tous les systèmes de mesure directe donnent une indication de vitesse relative, en mesurant le déplacement par rapport à la masse d'eau, jamais une vitesse fond. Les systèmes de mesure indirecte par dérivée de la position donnent une vitesse fond. Nous allons envisager tous les systèmes existants.
Je ne parlerai pas des premiers systèmes à sablier, consistant à jeter un flotteur ou à dérouler une cordelette à nœuds (d'où le nom) avec planchette frein, qui ne débouchaient pas sur des applications modernes, car ils ne pouvaient pas fournir d'indication continue.

 

 

 Le loch à poisson traîné

C'est le système classique le plus ancien. L'ancêtre est le loch à poisson traîné. Une hélice montée sur un fuseau lesté était traînée à l'arrière du bateau, par un câble d'une cinquantaine de mètres ou plus. Ce câble était relié à un réducteur à engrenages, sur cardan, affichant la distance sur aiguilles et compteurs à rouleaux. Ce beau système marchait parfaitement, avec une précision de quelques pour-cent. L'inconvénient était que la lecture ne pouvait se faire que directement au balcon arrière. L'absence de répétiteur était un handicap gênant pour les gros navires. La vitesse était mesurée par un chronomètre sur un tour de l'aiguille (0.1 ou 1 mille) puis division à la règle à calcul ou par lecture d'une table.
Rappel : Vitesse = Distance / Temps
Vous trouvez dans les magasins d'antiquités marines ces superbes pièces en bronze, avec le mécanisme d'horlogerie magnifiquement réalisé pour tourner cent ans, de chez Vion par exemple pour le français et beaucoup de modèles anglais et autres.
Il a été modernisé par transmission électrique des impulsions à une petite électronique qui affichait vitesse et distance.
L'autre énorme inconvénient était la contrainte de mouiller la ligne après l'appareillage et de le rentrer en arrivant dans des eaux fréquentées. Autre problème, l'hélice était parfois avalée par de gros prédateurs, le remplacement était très cher.

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 Hélice ou roue à aube

Modernisation du système précédent, l'hélice se réduit au centimètre, elle est fixée sur un passe-coque rétractable. Hélice ou roue à ailettes comportent un petit aimant noyé, la rotation produit un champ magnétique sinusoïdal. Dans le corps de sonde une bobine sur noyau fer doux comprend quelques milliers de tours de fil et fournit une petite tension, une période (ou plusieurs si aimants multiples) pour un tour d'hélice. Une variante moderne remplace la bobine par un capteur à effet Hall (voir page girouettes). Un fil relie le capteur au loch speedomètre. Le loch est un simple compteur, réalisé par un seul circuit diviseur CMOS. Le speedomètre est un fréquencemètre rustique. Il n'est pas possible de faire un montage plus simple. Mais comme dans tout système marine, la difficulté est triple :

 Réaliser un capteur étanche et fiable, tous les fabricants le font bien maintenant, ce n'a pas été toujours le cas.

 Réaliser un bon affichage, tout existe et l'étanchéité n'est pas toujours une réussite, les instruments ont parfois de la buée ou se remplissent en lavant au jet (voir les classes d'étanchéité, dans "Astuces du bord ").

 Réaliser une électronique fiable, y compris au niveau de la connectique. L'électronique actuelle tombe peu en panne, mais les liaisons sont souvent médiocres et l'oxydation vient à bout de bien des systèmes.

 

 Le bonus : Une sonde thermique, donnant la température pour la baignade est souvent incluse, dans le capteur. C'est un gadget astucieux, mais souvent mal exploité. Le calcul est fait grossièrement en Fahrenheit. La conversion en centigrades se fait par gros paliers avec deux décimales ridicules. Il ne faut donc pas y compter pour savoir si la baignade sera possible.

Ce système de capteur n'évolue plus du tout, il fonctionne correctement et aucune innovation n'est possible. L'affichage analogique a été remplacé par un numérique, seuls quelques progrès mineurs sur la visibilité des afficheurs interviennent régulièrement.
Ce capteur miniature présente toutefois un défaut rédhibitoire par rapport au vieux système à hélice traînée. Cette grosse hélice tournait en eau calme, peu perturbée par le sillage à une cinquantaine de mètres de la poupe, et l'indication était très fiable.
Les petits capteurs sont collés contre la coque, dans une zone d'écoulement perturbée, la couche laminaire n'est pas immobile, les filets d'eau sont instables et la mesure très imprécise.
Il faut bien orienter l'axe dans le sens des filets d'eau, ce qui est gênant car l'écoulement sur la coque dépend de la vitesse, de laminaire à faible vitesse, à turbulent quand la vitesse augmente. Les filets d'eau ont une orientation différente suivant la vitesse, l'écoulement pouvant être même tourbillonnaire, et de plus, suivant le bord de gîte, l'orientation change radicalement.

Il ne faut donc pas demander trop de précision à ces systèmes, qui ne donnent que des indications relatives en fonction de l'état de salissure à quelques dixièmes de noeuds près. La vitesse de démarrage dépend aussi de la salissure du capteur.
C'est le principe même qui est en cause, il n'est pas possible de faire mieux. Par rapport à la contrainte de la ligne traînée, c'est quand même un gros progrès.

   Roue à aube, non clickable de 2 ko

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 Le système électromagnétique

Ce produit définitivement enterré était basé sur une idée astucieuse. En déplaçant un fil conducteur dans un champ magnétique, une tension apparaît aux bornes du conducteur. Ce conducteur est l'eau de mer, grâce à deux électrodes faites par deux boulons inox dépassant du sabot du capteur.
Le champ d'excitation est fourni par une bobine alimentée en basse fréquence. La tension recueillie est une sinusoïde, d'amplitude proportionnelle à la vitesse, la phase donne même le sens du déplacement. C'est magique !
Ce qui l'est moins, c'est que cela ne marche pas en pratique…
La société Ben, spécialiste en robinetterie a utilisé ce principe astucieux pour mesurer les débits de fluides dans les canalisations industrielles, avant de l'adapter à la mesure de vitesse de bateaux. Les premiers modèles destinés à la marine de commerce marchaient correctement, avec une sonde rétractable, et un énorme passe-coque à vannes, mais étaient très chers, avec une électronique lourde. Une adaptation a été sortie pour la plaisance, en boîtier aluminium, assez soignée, mais trop chère, qui marchait un peu. Vint ensuite une version très dégradée, Toplog en coffret plastique, qui fut désastreuse, faute d'avoir voulu trop baisser les prix. La sonde a existé sous deux formes, avec un gros perçage de coque, soit fixe, pour laquelle il faut plonger toutes les semaines pour brosser, soit rétractable. Ces versions avaient deux problèmes :

 Une fabrication de la sonde était très médiocre, il se produisait d'innombrables pannes. Le principe est pourtant simple, une bobine et deux électrodes par vis inox, mais elle n'a jamais été étanche et les fils s'oxydent et se coupent au bout d'un temps variable. Il n'y a pas de solution, toutes les sondes sont mauvaises.

 Une électronique déplorable, totalement instable, à l'arrêt la vitesse varie jusqu'à quelques nœuds, en positif ou négatif. Aucune amélioration possible, pour des raisons qu'il serait trop long de développer ici, les amplificateurs glissent. Si ce sujet intéresse les foules, je compléterai.
En résumé la seule solution est d'éliminer ce matériel. Si vous en avez un, n'investissez surtout pas un Euro pour remplacer la sonde, changez tout. Le problème est que le diamètre de perçage est plus gros que pour les capteurs modernes, il faut faire tourner une bague Ertalon, de l'épaisseur de la coque, pour compenser.

Ce système était tombé dans les oubliettes, mais depuis la publication de cette page, il y a du remake dans l'air ! Vous verrez ressortir périodiquement des copies sous diverses marques, il y aura toujours des opportunistes flairant le gogo qui relanceront le capteur magique sans pièce mobile, méfiez-vous, je vous aurai prévenu… Voir Pochon, Nke...

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 Les systèmes Doppler

Ils ont été à la mode vers 1970 à 1980, le principe était séduisant, plus aucune hélice qui dépasse, se bloque et se casse. Un petit capteur/transmetteur piézo à ultrasons, comme sur les sondeurs, envoyait des impulsions faibles et rapides et mesurait le déplacement relatif des bulles de cavitation par effet Doppler. Cela fonctionne très bien en médical, avec une électronique lourde, mais n'a jamais marché sur un bateau. Il s'en est vendu beaucoup, ce fut un désastre. Le principe était mauvais, cette voie est définitivement enterrée, mais comme pour le système précédent, il ressortira.

 

 Remarque : Applications professionnelles

Des matériels évolués existent utilisant les systèmes Doppler et électromagnétiques. Ils fonctionnent parfaitement, mais sont réservés aux gros navires. Leurs prix très élevés empêche toute transposition ou adaptation à la plaisance.

 

 

 Les méthodes dérivées

Elles découlent toutes d'un même principe, calculer la position de temps en temps, et donc déduire vitesse et distance. C'est la méthode idéale, donnant la route fond, mais le résultat est conditionné pat l'obtention du point. Comme je ne parlerai que des méthodes économiquement réalistes pour un petit voilier, le choix se restreint.
La majorité des lecteurs n'ayant vu un sextant qu'en photo, je ne détaillerai pas le point astronomique qui donne cap et vitesse sur des périodes de l'ordre de l'heure au minium.
L'heureux abandon de la dégradation en 05/00 (voir page DGPS ), nous a donné une précision considérable et inespérée sur le GPS.
Nous pouvons maintenant calculer avec une précision meilleure que celle du capteur de base la vitesse fond grâce au GPS.
Dans les zones à courant, l'affichage simultané des vitesses loch et vitesses fond est très intéressant, mais à l'avenir, le montage d'un speedomètre impliquant un trou dans la coque sera à considérer et les nouveaux bateaux s'orienteront vers un tout GPS en abandonnant le capteur immergé.

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 Le loch presque magique sans capteur immergé

Ce chapitre ne concerne que les possesseurs de speedomètres anciens, non reliés à un bus avec tous les autres dispositifs dont le GPS en NMEA, dans ce cas, l'information SOG (Speed Over Ground), vitesse fond, est déjà disponible en standard sur les afficheurs.
Sur un de mes anciens bateau, qui possédait un vieux speedo Sumlog analogique des années 1980, le bus n'existait pas. Étant de nature fainéante, je rechignais de rentrer et sortir mon capteur de loch pour le brosser. Il se salit très vite hors navigation continue en été, et il reste rangé au sec dans le coffre 9 mois sur 12.

L'idée est ici !  
Envoyer au boîtier un signal équivalent
à celui qu'il recevrait si le capteur était en place.

 

Cela à l'énorme avantage de ne rien modifier à l'installation de l'électronique de bord et d'utiliser normalement les vieux instruments analogiques existants.
Le principe est très simple : Utiliser un petit microcontrôleur qui lit le bus en sortie du GPS , extrait la vitesse et génère un signal carré, proportionnel à la vitesse, envoyé à une bobine. Cette bobine est collée sur un bout de tube PVC, clipsé dans le coffre, qui sert de support au capteur de loch au repos. Le champ induit simule la rotation de la roue à aubes.
Il existe une autre variante en renvoyant sur un inverseur (relais) ce signal et celui du capteur, la sortie attaquant le boîtier du loch-speedomètre. Cela permet de commuter les deux options.
Je détaille le mode de calcul de la vitesse dans la page : GPS et interface NMEA 183 - série RS-232  et la réalisation pratique en partie électronique avec la minicarte.

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 La VMG

C'est la vitesse équivalente de remontée vers une marque au vent. Elle est très utilisée en régate pour optimiser la montée à la bouée à l'intérieur de la "lay line ". Cette indication existe sur les instruments modernes, mais évidement pas sur les anciennes générations analogiques.
C'est un simple produit de la vitesse sur le fond par le cosinus de l'angle du vent réel. Si vous faites un bord carré, la VMG est nulle. Elle a été très popularisée par le logiciel "Virtual Spectator " lors de la Coupe América.

Illustration du VMG

La réalité est un peu plus compliquée qu'il ne semble. Ce petit schéma illustre une régate improbable entre deux bateaux très différents. Ils sont en match racing et remontent vers la bouée au vent en choisissant l'allure la plus favorable sur leur polaire (les chiffres ont été arrondis pour la simplicité).

Un superbe Class América, qui serre très fort à 25 degrés du vent

Vitesse réelle 11 k
Cos 25°= 0.9
VMG = 11*0.9 = 10 k

 

Catamaran qui a tout son potentiel en abattant beaucoup plus

Vitesse réelle 14 k
Cos 45°=0.7
VMG = 14*0.7 =10 k

 

Ces deux bateaux très différents, qui partent lancés sur la même perpendiculaire au vent sont réglés au mieux et ne commettant pas de faute.

Pour commencer, il ne faut pas considérer la perpendiculaire au vent mais l'arc de cercle centré sur la bouée visée.

Ils vireront au même instant à la bouée car ils ont la même VMG !
Vous voyez sur le dessin deux lay lines, correspondant aux polaires respectives de ces deux bateaux très différents.
Celle du Class America matérialise une surface triangulaire d'angle au sommet de +/- 25 °, celle du catamaran de +/- 45°
La lay line est une ligne qui matérialise la limite extrême qui permet de remonter sur la bouée en un seul bord de près.
Toute sortie de la zone obligera à tirer un bord supplémentaire désastreux ou à abattre inutilement pour passer la bouée. En régate personne ne sortira de la zone, sauf en match racing si l'on tente de coincer son adversaire par le jeu dangereux des priorités en le poussant à l'extérieur.
Nous avons vu que la VMG est la projection du vecteur vitesse réel sur l'axe du vent, mais nous avons considéré l'angle du bateau avec le vent comme si celui-ci était sur des rails dans dériver. En réalité un bateau au prés serré dérive beaucoup et s'il remonte à 25 degrés de son vent apparent, en route fond , avec une dérive de 10°, il ne remontera réellement que de 25+10=35°. Il faut impérativement comprendre de quoi on parle en définissant la polaire, l'angle est-il celui du vent relatif, facile à mesurer simplement ou de l'écart route réelle, vent réel.

J'aborde le problème de l'affichage de ces données dans la page GPS et interface NMEA 183 - série RS-232 
Il faut utiliser un petit calculateur intégrant les données de divers capteurs, girouette, anémomètre, loch, DGPS ...

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 FAQ

 Compatibilité capteurs

 Je change de marque de loch speedo. Puis-je garder le même capteur pour éviter le changement de passe coque ?

La compatibilité n'existe pas entre les marques !
Un ou des aimants tournent dans une roue à aube.
La bobine détectant le signal peut avoir de quelques centaines à quelques dizaine de milliers de spires.
Pour chaque marque, il y a donc une tension et une fréquence différente à vitesse donnée, et la relation n'est pas linéaire.
Chaque constructeur a un perçage de coque différent, donc si vous changez de matériel, il faut tirer à terre et changer le passe coque.
Quatre cas se présentent (coque plastique)
 Le nouveau est à peine plus grand que l'ancien : râpe à bois, lime à métal et papier abrasif permettent d'ajuster le diamètre en quelques minutes.
 Le nouveau est beaucoup plus gros : plaquer un morceau de bois à l'intérieur, solidement bloqué par épontille, pour servir de guide et permettre de repercer à la scie cloche.
 Le nouveau est plus petit : Il faut prévoir avant de tirer, pour faire tourner une bague de rattrapage en Ertalon, de l'épaisseur de la coque (moins 5 dixièmes), et éventuellement une rondelle d'appui intérieure inox.
° Si vous déplacez le capteur, il faut reboucher en stratifiant très solidement de l'intérieur. On plaque une feuille plastique sur une planche épontillée à l'extérieur, le temps pour les premières couches de polymériser.

 

 Tester son capteur

Si l’installation ne fonctionne plus, il faut en priorité vérifier le capteur. 
Démonter la prise et regarder si les broches ne sont pas cassées.
La bobine comporte un millier de spires, tester à l’ohmmètre et trouver environ 1 kilo Ohm. Si la résistance est infinie :
 Le fil est coupé, vérifier tous les passages critiques et les cisaillements au passage de cloisons et les écrasements par le plancher ou objets sur le capteur. Si la coupure est trouvée, le dépannage est facile.
 La bobine est coupée, de l’eau a pénétré dans le capteur, le fil s’est oxydé, c’est irréparable, il faut changer la sonde.
Si la bobine semble bonne, il faut souffler sur la turbine pour la faire tourner très vite et mesurer la tension, avec un millivoltmètre alternatif ou mieux à l’oscilloscope, calibre 1 milliVolt.
Il peut y avoir aussi une fuite à la masse (début d’infiltration), la sonde immergée, l’ohmmètre entre un fil de la bob,ne et la masse du bateau doit montrer un isolement meilleur que le MégOhm.
Si la sonde est bonne, il faut alors dépanner le boîtier ou la liaison vers les répétiteurs.

 

 Panne du capteur de loch après carénage

Le loch speedomètre fonctionnait avant tirage à terre. Lors de la vérification après carénage, il s’avère en panne. Plusieurs causes sont possibles.
 Aimant arraché pendant le brossage. C'est facile à vérifier en approchant un élément magnétique qui doit influencer la position de la roue. 
 Fuite du corps protégeant la bobine. En immersion cela peut ne pas s'être manifesté. Une fois au contact de l'air, oxydation et corrosion très rapide amenant la rupture de la bobine. 
 Fil cassé pendant les manipulations, à ras de la sonde.

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 Liens loch et speedomètre

Fort curieusement, il n'y a que très peu de liens utiles sur ce sujet, autres que les catalogues constructeurs et vendeurs ! 
N'hésitez-pas à me signaler un bon lien technique si vous trouvez.

Loch à bateau classique à planchette : banik.org/pratique/loch_a_bateau

Girouettes et anémomètres

Publié dans Electronique de bord lundi, 06 février 2017 05:27 0
Girouettes et anémomètres

 Girouette anémomètre  non clickable   de 2.5 ko

Le principe des anémomètres 
Le principe des girouettes 
Le génial Rotavecta
Girouette anémomètre sans fil
L'intérêt du capteur vent
Installation 
Évolution 
Girouette à ILS tournant
Encodeur Gray 
Enregistreur graphique
Particularités mesure vecteur
Fonctionnement aberrant
Liens

Maj : 19/04/13

 Abstract :
Wind speed and direction meters are very common but expansive equipment on sailing boats. A point on the technology of old, actual and future systems. Display is made by one to three repeaters. Aerial is the very critical part. Information is now transmitted by NMEA bus for other devices.

 Résumé :
Les anémomètres et les girouettes sont des équipements très courants mais chers sur les bateaux à voile. Un point sur la technologie des systèmes anciens, actuels et futurs. Les affichages sont faits par un à trois répétiteurs. L'aérien est la partie très critique. L'information est maintenant transmise par le bus NMEA pour les autres dispositifs.

 

 

 Le principe des anémomètres

Un anémomètre est un dispositif destiné à indiquer la vitesse relative du vent, affichée traditionnellement en noeuds, avec option en force Beaufort. Tout a été essayé, il s'est avéré que le seul produit fiable était l'étoile à 3 branches à godets. La grande difficulté est la limitation des frottements, l'axe inox vertical est monté sur deux petits roulements étanches qui sont sensés résister à l'oxydation. Sur cet axe est toujours fixé un aimant tournant. Un signal sera fourni, dont la période correspond à un tour des godets. Ce système simple à deux inconvénients de fond, liés au principe :

 Il ne démarre pas pour des vents faibles, à cause des frottements des roulements qui s'usent et s'oxydent (bien qu'inoxydables !). Ce n'est pas un problème majeur.

 Il n'est pas linéaire, car quand le vent augmente, l'écoulement de l'air perturbé par les godets devient turbulent, plus le vent est fort, plus l'écart est grand. Cet écart dépend de la technologie de l'étoile à godets.
Les étoiles à trois godets sont bien meilleures que les quatre godets, le godet sous le vent étant moins perturbé.
Les étoiles à bras longs et fins avec petits godets sont supérieures pour les mêmes raisons.

L'électronique (ou la graduation du cadrant) compense en partie la non-linéarité (Vitesse du vent) / (Vitesse de rotation) , mais pour les vents très forts, la vitesse n'augmente plus sensiblement…
Pour capter le signal de l'aimant, deux systèmes sont possibles.

 

 Les anciens systèmes

Ils utilisaient un ILS (interrupteur à lames souples) qui mettait à la masse une résistance d'une dizaine de kilo ohms reliée au 5 volts. Ce système rustique avait un très gros inconvénient, un signal carré de 5 volts qui était véhiculé de la tête du mât aux instruments par du fil non blindé est un gros générateur de parasites, produisant un claquement sur la radio, tout comme le sondeur. Il suffisait de le couper pendant la réception.

 

 Les systèmes récents

Ils utilisent un capteur a effet hall, qui supprime tous ces inconvénients en fournissant un petit signal sur une paire différentielle non bruyante. Le traitement par le microcontrôleur permet de compenser la non-linéarité jusqu'à force 7, au-delà il faut imaginer…
Les systèmes à occultation lumineuse, utilisant une croix de malte et un photo transistor n'ont jamais marché, le sel venant très vite à bout de l'optique.
Il existe un principe très différent, utilisé par les stations à terre mais incompatible avec le brouillard salin. Deux fils identiques sont alimentés en série et constituent les branches d'un pont de Wheatstone. Un fil est à l'air libre, l'autre abrité du vent, plus le vent est fort, plus le fil libre se refroidit, donc sa résistance. La mesure donne une force du vent approximative, mais le sel bloque ce dispositif.
Un autre gadget abandonné car trop imprécis utilisait une pale fixe montée sur jauge de contrainte, couchée par le vent.

 

 Les systèmes abandonnés

 

Le tube de Pitot n'est pas utilisé comme anémomètre, il n'est pas assez sensible aux vents faibles et doit être orienté dans l’axe du flux. Il fait merveille sur les avions mais pas en marine.

 L'haltère (deux bras) a des démarrages difficiles et des vibrations, elle est inexploitable. Les quatre godets ont trop de traînée et sont médiocres comparés aux trois branches.

 L'hélice d'avion ne démarre pas dans les petits airs.

   Rotor de Savonius    non clickable

 

 Les rotors à axes verticaux, voir aérogénérateurs  , saturent par vent fort et vibrent.

 Les systèmes optiques, l'encodeur Gray est évoqué plus loin.

 

 Les aériens statiques à fils chauds

Il existe un autre système très ancien qui présente la grande originalité de ne présenter aucune pièce mobile. Il se compose d'une cage à grillons comportant une série de fils verticaux montés autour d'un tambour central. Le vent refroidit différemment les fils suivant leur position par rapport à l'abri central. Une simple mesure de résistance sur les fils permet de connaître le vecteur vent.
Ce principe est très séduisant en théorie car il peut encaisser des vents très forts, mais présente le très grave défaut de ne pas supporter la pluie avec vent fort qui peut mouiller les fils et surtout les embruns qui laissent un dépôt de sel sur les fils qui fausse toute mesure.
C'est un bon système pour les stations à terre en régions sèches, bien que les stations météorologiques ne l'aient jamais homologué à cause de des problèmes cités. Il est utilisé dans les tunnels des souffleries à cause de sa très grande plage.
Comme le monstre du Loch Ness (ils ont le même âge) il est redécouvert périodiquement et proposé par divers fabricants. C'est l'équivalent marketing des lochs électromagnétiques ou doppler.

 Les aériens statiques à ultrasons

En disposant dans un flux d'air un couple émetteur récepteur à  ultrasons, il est possible de calculer la vitesse d'écoulement d'après le temps de propagation. Il est facile de comprendre que si l'on place trois couples à 120 degrés (ou mieux quatre à 90 degrés), on en déduira le vecteur vent (vitesse et direction) dans le plan. Ce système sans pièces d'usure semble idéal, mais en pratique, les choses se compliquent. Il faut éloigner au maximum les têtes ultrasons et compenser la vitesse du son en fonction de la température et de la pression. Les têtes sont chauffées pour les dégivrer par temps glacial.
Il existe de très bons systèmes pour la météo professionnelle, mais l'arbre des têtes est trop encombrant pour l'envisager en plaisance et le prix totalement dissuasif.
Il ne faut pas se faire d'illusions sur les performances des petits modèles vendus à moins de quelques milliers d'€uros, ils sont trop rustiques avec les éléments ultrasons trop proches..
 

 Évolution des paliers

La technologie va bientôt corriger le problème des roulements. La recherche a développé pour les micromoteurs rapides des paliers virtuels. Ils n'utilisent plus de bague de frottement ou roulement, l'axe flotte sans contact en suspension dans un champ magnétique toroïdal. Les nouveaux ventilateurs haut de gamme de PC (depuis fin 2000) bénéficient déjà de cette superbe technique. Il n'y a ni bruit, ni vibration, ni usure, ni frottement. La marine intégrant les nouveautés avec un grand retard, cela viendra dans quelques années. 

 

 Réalisation pratique

Pour ceux qui veulent bricoler, la réalisation pratique d'une girouette anémomètre est décrite en annexes de la page de la centrale météorologique multi-paramètres 

 

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 Le principe des girouettes

Une girouette est un dispositif destiné à indiquer la direction relative du vent affiché par rapport à l'axe du bateau. Un cadran 360° est complété par une loupe de près et de vent arrière pour amplifier la zone +/- 60°. Une pale équilibrée s'oriente dans le lit du vent. Le même problème des frottements de roulements empêche le fonctionnement par vents très faible, par contre les vents forts ne gênent pas. Ici encore deux grands systèmes ont existé :

 

 Les anciens systèmes

Ils utilisaient un potentiomètre. Ce composant était très cher car c'est un véritable exploit technologique. Il doit être étanche, avec une course de 350 degrés (le trou est vent debout), bien évidement sans butée. Le balai est réalisé par un double pinceau en fils d'or, pour ne pas cracher aux oscillations de changement de direction. La piste ne doit présenter aucun mauvais contact par oxydation. Bien peu de fabricants ont réussi à relever le challenge ! Les doubles pistes pour l'amplification au près et vent arrière ont été tentées mais ont été abandonnées car beaucoup trop complexes à réaliser. Un peu d'électronique résout ce problème.
Les nouveaux systèmes ont éliminé ce potentiomètre coûteux. L'axe porte maintenant un aimant et deux capteurs proportionnels à effet hall, montés à 90° sur la platine, résolvent parfaitement ce problème délicat pour moins d'un € de composants… La résolution du degré ne pose pas de problème.

 

 Petite remarque, pourquoi trois capteurs à 120° et pas deux à 90° ?

La théorie montre que deux capteurs à 90° permettent d'obtenir le résultat attendu.
De la même manière, l'intersection de deux droites donne un point unique, mais les erreurs dues à l'imprécision des origines et des angles donnent une zone d'incertitude difficile à matérialiser, les erreurs n'étant pas bien connues par définition.
Le croisement de trois droites donnera un triangle d'incertitude, la position la plus probable étant le centre de gravité. La surface du triangle matérialise les imprécisions de la mesure.
Ceux qui ont manié le sextant et la règle Cras comprendront parfaitement...
C'est cette même raison qui fait passer à trois capteurs à 120 °, l'électronique rendra une meilleure linéarisation.

 

 Les systèmes abandonnés

Comme pour l'anémomètre, l'optique a été tentée, par un disque transparent gravé et un encodage Gray. Le sel a tué ce système inadapté au milieu marin (voir en annexe le codage Gray), le capteur et cher et le montage étanche avec joint torique freine trop..
Pour l'anecdote il existe d'autres systèmes de girouettes, mais seulement utilisables à terre car ils sont détruits par le brouillard salin et sont moins précis.
La rose à Polaroïd tournant devant un Polaroïd fixe avec trois cellules à 120° n'a jamais marché.
Les 8 ILS disposés en étoile qui donnent les 8 inter cardinaux, c'est suffisant pour une petite station météo à terre. Certains ont même 16 points. La variante utilisant 8 cellules optiques est moins répandue.
Et n'oublions pas le doigt mouillé, que la plupart des navigateurs possèdent à 10 exemplaires (sans compter les pieds), sauf Mickey qui n'en a que 8.

 

 Le système absolument parfait

Bien mieux que tous ces dispositifs, et beaucoup plus fiable, installez toujours en arrière de la tête du mât, une très bonne girouette mécanique, montrant les angles de près, une Windex par exemple. Une girouette mécanique fonctionne à la perfection pour un prix dérisoire. Cette girouette est très précise et réactive et permet d’estimer des écarts d’un degré impossibles à voir avec des cadrans. Les pennons sur les voiles qui permettent de visualiser les écoulements sont les compléments indispensables. Les fins barreurs n'ont besoin que de cela. Pour la nuit, il faut installer une petite ampoule protégée éclairant la girouette par-dessous évidement sans être visible de la barre.
La girouette mécanique a pour seul inconvénient qu’il faut lever la tête ce qui distrait de l’observation du plan d’eau.

 

 Girouettes sur mât aile tournant

Ces mâts ailes rotatifs très performants posent un problème spécifique pour l’installation de la girouette.
Ce cas est traité dans « Mesure de l’angle d’un mât tournant »

 

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 L'astucieux Rotavecta

Autohelm a breveté un procédé révolutionnaire que tous les constructeurs rêvent de reprendre mais sans pouvoir contourner le brevet. Il est très surprenant que ce produit baptisé maintenant "Rotavecta " n'ait pas balayé la concurrence, mais il y a trois raisons majeures :

 Le grand public n'a pas compris ce très intéressant principe. Raytheon communique très mal sur ce produit, il est caché et mal présenté et expliqué dans les documents, on dirait qu'ils en ont honte.

 Autohelm s'obstine avec son bus Seatalk exotique et incompatible faisant fuir ceux qui sont équipés en NMEA 183, il reste à espérer qu'ils ne vont pas encore rater le virage du NMEA 2000…

 Il ne marche pas dans les petits airs.

Ce principe est celui du godet déséquilibré. Il n'y a plus de pale orientable ! C'est pourtant très simple, un des godets est un peu différent des autres et c'est tout…

Si les trois godets sont strictement identiques, comme sur un anémomètre normal, pour un vent constant, la vitesse de rotation de l'axe sera constante, et la rotation de l'aimant produira une sinusoïde parfaite sur un capteur à effet hall fixe..

Modifions maintenant un des trois godets, par exemple en l'agrandissant ou en lui adjoignant une ailette supplémentaire. Dans les mènes conditions la vitesse de rotation de l'axe ne serra plus constante.

Quand le "grand " godet montera au vent , il sera freiné, quand il passera le lit du vent il accélérera.

Cela produit une déformation de la sinusoïde reçue. Il suffit de disposer de deux capteurs fixes à effet hall décalés de 90° (les mêmes que pour le système de girouette à pale !) ou encore mieux, trois décalés de 120°, et la direction du vent est parfaitement connue, ainsi que la vitesse. L'électronique est très simple, un petit microcontrôleur dans l'aérien fait cela simplement. Vous remarquez alors que ce curieusement système est identique à celui du fluxgate.
La résolution de direction par les trois sinusoïdes déformées décalées de 120° est un des grands classiques des applications à base de microcontrôleur. Je développerai cette technique dans le cadre du logiciel du fluxgate. La seule différence est qu'avec le fluxgate, le signal pilote est constant et connu, c'est un peu plus délicat avec les godets, car la période étant variable, il faut reconstituer le signal horloge à chaque période, soit en analogique en verrouillant une PLL, soit par le logiciel. Le résultat obtenu sera une direction relative en degrés, la précision est très bonne.
Pour obtenir un godet déséquilibre, il suffit donc de lui adjoindre une petite surface ou changer son diamètre ou la longueur d'un bras. La girouette-anémomètre se réduit alors à un simple moulinet à trois godets.

Il n'y a plus à se préoccuper de l'orientation de l'aérien. Après l'avoir installé, il suffit de régler au clavier l'axe du bateau depuis les instruments. Cela se fait au près, en équilibrant sur les deux bords, ou au mouillage venté sur corps mort et plan d'eau calme.

Le seul défaut du système est que les godets ne tournent pas par vent faible, il n'y aura aucune d'indication dans les petits airs.

Le succès commercial n’a pas été au rendez vous et le produit a été retiré des catalogues après une dizaine d’années de présence discrète.

 

Réalisation pratique

Mon camarade Gérard Samblancat a eu la bonne idée de poursuivre mon travail et de mettre en ligne un article très soigné avec une réalisation clefs en mains, dans le numéro d’Elektor France n° 311 de mai 2004. Qu’il en soit remercié.

 

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 Girouette anémomètre sans fil


Les catalogues proposent des aériens de girouettes anémomètres sans fil.
Les aériens comportent un petit émetteur qui envoie des données codées au récepteur contenu dans le bloc afficheur. Pour fournir l’énergie, le tourniquet de l’anémomètre sera remplacé par une grosse hélice qui constitue un mini aérogénérateur. Cela évite le fil d’alimentation et de signal courant de la tête de mât à l’afficheur lui-même relié à la batterie.
Que faut-il en penser ?


L’argument favorable


 C’est une très bonne idée que de supprimer ce câble à multiples problèmes qui se promène dans le mât ne demandant qu’à s’user ou s’arracher en s’emmêlant avec les drisses et se faire décapiter en pied de mât.  La connectique externe source de mauvais contacts est supprimée. 
La simplification d’installation est très appréciable.

 

Les arguments défavorables


 Le système ne fonctionne que si le vent relatif est suffisamment fort pour alimenter l’électronique. Comme pour le Rotavecta, il ne faudra pas espérer lire d’indication en régate dans les très petits airs. Cela est l’inconvénient majeur en navigation très fine, pour exploiter les risées évanescentes.
Il y a eu des tentatives de couplage d’un minuscule panneau solaire, mais la moindre mouette fienteuse ou les dépôts de sel et de salissures annulent la charge ajoutée.
Pour des questions de taille et de prix, il n’y a aucune de capacité de stockage qui restituerait l’énergie des jours de brise les jours de petit temps…

 Pour économiser l’énergie, les trames sont très espacées par vent faible. Cela conduit à un affichage mou, un changement de vent n’est pris en compte qu’avec retard.

 Problèmes de réception : 
- La réception locale peut être parasitée par les électroniques bruyantes, en particulier par les mauvais convertisseurs et les Wi-Fi du réseau de bord local et les GSM . Les fréquences ne sont pas identiques, mais le récepteur qui est un vrai entonnoir attrape tour ce qui est proche.
- La réception ne passe pas au travers d’une tôle sur les bateaux métalliques.
- En cas de bateaux proches, au passage d’une bouée en régate, il peut y avoir des interférences avec d’autres matériels identiques, le codage n’étant pas individualisé.

 Il faut bien s’assurer que le zéro se règle d’en bas à la console pour compenser un alignement toujours approximatif en tête de mât. C’est généralement vrai, mais il faut toujours le confirmer.

 

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 L'intérêt du capteur vent

L'anémomètre est un équipement utile, il permet de donner une force de vent relatif objective, c'est une bonne alarme quand le vent monte pour obliger à réduire la voilure sans faire intervenir des éléments psychologiques (fatigue, peur, mal de mer, paresse à l'approche du but..) qui empêchent de prendre la bonne décision de réduire.
Une girouette n'est qu'un gadget, cela fait joli sur la console mais ne sert pas à grand chose sauf en haute compétition. Il vaut mieux regarder les voiles. C'est toutefois une petite aide la nuit, mais sans plus.
Il ne faut pas demander l'impossible à des dispositifs, en particulier à cause du fait que force et direction du vent changent considérablement entre le plan de la bôme et la tête du mât, l'indication n'est donc que ponctuelle, en zone marginale, alors que le vent le plus intéressant à connaître serait celui du centre de poussée vélique, en dessous de la première barre de flèche. Il faut se contenter de la mesure de tête de mât, cette zone centrale est inaccessible.

 

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 Installation

L'installation se fait évidement sur l'avant de la tête de mât, plus le bras de déport est long et relevé, moins il y aura de perturbations. Il est impossible de la monter sur l'arceau arrière, même avec une rallonge de deux mètres, les perturbations sont trop grandes.
C'est toutefois la seule possibilité avec un mât aile tournant en carbone dont on ne sait pas mesurer l'angle.

Avec les anciens systèmes à potentiomètre, il était impératif de bien régler l'axe de la girouette dans l'axe du bateau, c'est pratiquement impossible, on ne voit rien monté en tête de mât sur la chaise, et le bras est toujours décalé de plusieurs degrés. Les indications ne sont donc pas symétriques sur les deux bords, c'est gênant au près, avec 5° de décalage, vous ferrez un près serré à 30° sur un bord, 40° sur l'autre.... Avec les nouveaux systèmes à effet hall, il n'y a plus du tout à se préoccuper de l'axe, le zéro se règle au degré près à la console, au clavier, c'est un gros avantage.

Traditionnellement, une girouette mécanique simple sera montée sur l'arrière du mât pour prendre le relais en cas de panne et être bien vue des équipiers occupés aux réglages. Au prés serré, en conditions de course, l'observation de la girouette mécanique est très utile car elle réagit beaucoup plus vite que l'électronique.

 

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   Évolution

Alors que les lochs speedomètres, comme nous l'avons vu, n'ont que très peu évolué en vingt ans, les girouettes ont subi sinon des révolutions, du moins des évolutions.

 Une exclusivité des effets hall qui se sont répandus dans toutes les applications industrielles, et l'abandon des capteurs à potentiomètres ou optiques.

 Une technologie complètement inattendue, avec le godet déséquilibré, une vraie surprise, qui ne se répandra que si le brevet Autohelm s'ouvre !

 L'introduction (encore confidentielle et pour les très haut de gammes seulement !) des paliers virtuels sans contact, en remplacement de toutes les bagues et roulements peu fiables.

Il ne semble pas qu'une autre innovation soit à attendre dans les dix ans à venir…
L'affichage du vent réel est simple en utilisant sur le bus NMEA cap et vitesse du GPS , mais ce gadget offre peu d' intérêt, sauf dans le cas du système expert pour le contrôle du pilote après déclenchement de l'alarme "homme à la mer ".

 

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   Girouette à ILS tournant

Un système très original a été tenté. L’idée est simple et astucieuse.

L’anémomètre est un classique équipage à aimant tournant.

Un ILS (interrupteur à lames souples) est fixé dans l’axe de la girouette et envoie un top à chaque passage de l’aimant au zéro degré. Rien d’original jusque là ! L’astuce est que l’équipage girouette embarque lui aussi un autre ILS mobile. Il enverra une impulsion au passage de l’aimant. Vent debout les deux impulsions sont simultanées, vent arrière, le retard de l’ILS mobile est d’une demi période.

L’affichage du pourcentage de retard donne l’angle avec une électronique simpliste. Cela ne marche évidement pas par vent nul, il faut que l’anémomètre tourne régulièrement pour obtenir une période de référence stable. 
La seule difficulté est de transmettre le contact tournant des deux fils de la girouette. Cela a été abandonné à cause du manque de fiabilité des contacts tournants.

 

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   L' encodeur Gray

 

Ce système remarquable a été développé pour recopier des grandeurs à variation lentes sous forme de signaux numériques. Bien que peu utilisé maintenant dans les girouettes, il est d'un intérêt fondamental et a beaucoup d'applications dans l'industrie et la transmission de signaux.

L'encodeur Gray est détaillé dans cette page annexe de la centrale multi-paramètres 

Avec trois capteurs Hall et les deux aimants, toute l'électronique du capteur de la girouette + anémomètre revient à quelques euros, cette superbe solution optique ne peut pas rivaliser, elle est éliminée.

4 bits Gray

 

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   Enregistreur graphique

Projet à venir ultérieurement, il sera décrit comme exemple dans les pages microcontrôleur.
L'indication de la direction et de la force du vent réel est une donnée disponible sur le bus NMEA, soit directement, soit calculée en fonction du cap compas et du vent relatif.
Ce vecteur (vitesse et direction), est très intéressant en particulier pour adapter la voilure, mais l'indication instantanée habituelle n'est pas suffisante. Il est préférable d'avoir un mode enregistreur, rafraîchi toutes les quelques secondes, qui indique la tendance. Cette valeur d'évolution des conditions est fondamentale pour les réglages et le choix de stratégie avec du vent instable.

La réalisation électronique ne présente aucune difficulté particulière, elle fait partie de la gestion d'un afficheur graphique, le seul gros problème est évidemment la mise en boite étanche et harmonisée avec la ligne des autres instruments d'un afficheur LCD. Cette réalisation demandera soin et astuce et sa difficulté ne doit pas être ignorée. Il y aura un gros travail à faire entre le système sous forme de maquette, afficheur et carte avec les fils en vrac jusqu'au produit fini intégré dans la console.

Cet afficheur graphique en mode enregistreur alternera toutes les 2 secondes direction et force du vent, un poussoir permettra de le configurer aussi en sondeur enregistreur, toujours par une simple lecture du bus NMEA, éventuellement aussi barographe en ajoutant un capteur de pression.
Les cadrans normaux afficheront toujours la vitesse relative, bien adaptée aux réglages fins de voile et de cap. L'enregistreur sera très apprécié, surtout sur un bord de spi avec le vent qui monte, pour anticiper, avec des données objectives, la réduction de voilure (ou inversement) avant de reprendre un bord de près.
Cet afficheur sera présenté prochainement dans le commerce chez les divers fabricants, la technologie existe, le marketing le demandera dés qu'il y aura pensé car la demande existe.
Le prix de revient en production est très voisin de celui des afficheurs classiques.

 

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   Les particularités de la mesure du vecteur vent

Les anémomètres à godets marchent de manière plus ou moins satisfaisante, mais seulement pour des vitesses de vent moyennes.

Il n’en est pas de même des dispositifs de girouettes qui sont parmi les plus médiocres du bord. L’usage montre de nombreux inconvénients.

 Le premier n’a aucune solution, le vent en tête de mât est très différent de celui qui nous intéresse au centre de poussée vélique. La plus élaborée des girouettes ne peut pas faire mieux.

 Le second inconvénient est lié au retard de l’affichage par rapport au changement de direction. Un bon barreur regardera sa Windex ses voiles ses penons et le plan d’eau pour barrer finement mais certainement pas ses cadrans de girouette.

 Le troisième inconvénient est le glissement du zéro, très pénible surtout au près, les écarts d’un bord sur l’autre finissant par rendre les instruments inutilisables.
Il n’existe pas de système ergonomique et pratique permettant de recaler le zéro et les gains en navigation pour corriger ces inévitables glissements produisant les écarts d’affichage.

Une girouette est très utile pour faire beau dans un tableau d’instruments qui paraîtrait bien pauvre et vide sans ces deux jolis indicateurs.

Le navigateur se servira en priorité de la girouette mécanique, des penons et des brins de laine sur le génois pour naviguer finement, mais les instruments aident dans certaines circonstances et sont plus simples à interpréter pour les débutants.

 

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 Fonctionnement aberrant de la girouette

Les girouettes sont toujours montées trop près de la tête de mât. Ce n’est pas vraiment très gênant par petit temps car les écoulements sont assez linéaires, mais quand le vent forcit au-delà de 5, aux allures portantes, la tête de mât est soumise à de grosses perturbations en particulier quand le bateau tangue dans la houle (le roulis diminuant l’effet). En observant les instruments vous constaterez une fluctuation de l’indication qui peut pomper entre zéro et trente nœuds avec des sautes de direction erratiques.
Non le vent n’est pas devenu fou, l’électronique n’a aucun problème c’est simplement que les écoulements sur la tête de mât sont très turbulents. Avec le même matériel, sur un bateau mouillé à proximité, le vent affiché serait bien constant. Observez la girouette, vous verrez le moulinet s’arrêter, et repartir en arrière puis dans le bon sens avec la pale agitée dans tous les sens.
Pour éviter ce comportement catastrophique, il n’y a qu’une seule solution ! Ne pas monter l’embase de la girouette à plat sur la tête de mât, mais la surélever de quelques dizaines de centimètres par un petit poteau carbone ou alu bien rigide. Cela dégagera la tête des turbulences et rétablira un affichage stable.

 

 

   Les liens

 Mesure de l’angle d’un mât tournant 

Pour ceux qui veulent bricoler, la réalisation pratique d'une girouette anémomètre est décrite en annexes de la page de la centrale météorologique multi-paramètres 

Kit anémomètre : alphalink.com.au/~derekw/ane/anemain
Pages pédagogiques anémomètre : multimania.com/webelec

Variante Rotavecta : alphalink.com.au

L'électronique de bord

Publié dans Electronique de bord lundi, 06 février 2017 05:26 0

L'électronique de bord

page fédératrice sur l'évolution

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Introduction 
Validité des prédictions 
Affichages 
Girouette anémomètre 
Loch speedomètre 
Sondeur 
VHF 
BLU 
Récepteur 
Satellite 
Navtex 
Pilote 
Radar 
GPS 
Cartographie 
Sextant 
Charge 
L'energie du bord

Maj : 12/06/12

 Abstract :
This page is made to federate electronic devices on a sailing boat. A digest of evolutions is shown during 1980 to 2010, some devices are in explosive development (as GPS ), others are very stable (as wind indicator), others are or become obsolete (as goniometry, Loran (now removed in Mediterranean sea), Decca), some are in evolution (as VHF). 
A special page is devoted for the majority of systems that I mention.

 Résumé :
Cette page est faite pour fédérer les dispositifs électroniques du bord sur un bateau à voile. Un résumé des évolutions est montré entre 1980 et 2010, quelques dispositifs sont en développement explosif (comme le GPS ), d'autres sont très stables (comme la girouette), d'autres sont ou deviennent obsolètes (comme la goniométrie, le Loran (maintenant abandonné en Méditerranée), le Decca), d'autres sont en évolution (comme les VHF ).
Une page spéciale est dédiée à la majorité des systèmes que je mentionne.

 

 

 

 Introduction

Ce petit résumé est destiné à fixer les idées, la publicité des constructeurs n'étant pas toujours un modèle de clarté. Certaines annonces ronflantes recouvrent souvent une un produit sans réel intérêt mais astucieusement habillé par le marketing, ou la ressortie d'un vieux produit abandonné pour son inefficacité mais redécouvert pour appâter de nouveaux crédules. Les nouveautés sont beaucoup plus rares que ce que l'on croit, notre électronique de bord évolue très peu sauf rares exceptions.
Les matériels peuvent être classée en grandes familles :

 La métrologie qui permet de mesurer une grandeur physique dans l'environnement du bateau
Le vent (girouette anémomètre), la vitesse (loch speedomètre), la profondeur (sondeur), la pression (barographe)…

 La communication radio
VHF , blu, récepteurs, fax, Navtex, satellite.

 Les aides à la navigation
Pilote, radar, GPS , cartographie, sextant.

 Divers matériels electriques
Batterie, charge et énergie en général...

Quand je dis qu'un système n'évolue pas entre 1980 et 2010, il faut bien sûr comprendre par cette affirmation :
 Les prix de l'électronique sont en chute permanente.
 Les microcontrôleurs de plus en plus puissants et de moins en moins chers offrent de plus en plus de fonctions.
 Les affichages évoluent, autrefois analogiques à aiguilles, puis à leds, à cristaux liquides, à plasma… Ils deviennent plus lisibles au soleil, avec de meilleurs contrastes, couleurs, résolution.
Ce ne sont que des évolutions cosmétiques mais pas des changements majeurs. Quand je parle d'évolution, il s'agit d'une technologie en progrès évident, comme par exemple le GPS , qui était une application vraiment nouvelle.

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 Validité de ces prédictions

Les chapitres suivants ne sont pas des prédictions, au sens de Michel De Notre Dame, dit Nostradamus, écrites dans un jargon ésotérique, mais simplement une projection à court terme de l'évolution récente, la partie électronique suit la loi de Moore.
Gordon Moore, un des fondateurs d'Intel, établit une loi qui porte depuis son nom (la loi de Moore) à partir de l'observation de deux faits simples :
- chaque nouveau circuit contient deux fois plus de transistors que la version précédente,
- une nouvelle génération de microprocesseurs est lancée en moyenne tous les deux ans.
Cette loi énoncée au début de l'industrie de la microélectronique de façon assez empirique s'est étonnamment vérifiée depuis la découverte du transistor (1948, en étendant la loi).
Il semble toutefois que cette loi soit remise en cause, les évolutions accélèrent maintenant plus rapidement. Dans un avenir proche le silicium disparaîtra des cœurs des grosses machines, remplacé par de la logique optique. Le gain de vitesse espéré par ce saut technologique est de un million.
Cela ne se répercutera pas toutefois sur mos petits appareils du bord, dans dix ans, nous aurons toujours besoin du même anémomètre donnant la vitesse du vent à 10% près, rien de plus, et les batteries seront toujours aussi lourdes et au plomb.

Cela ne se répercutera pas toutefois sur mos petits appareils du bord, dans dix ans, nous aurons toujours besoin du même anémomètre donnant la vitesse du vent à 10% près, rien de plus, et les batteries seront toujours aussi lourdes et au plomb. L'évolution ne se fera sentir que du coté pointu de la transmission de données, par exemple les GPS.

Gardons toutefois un esprit critique. J'ai l'occasion de relire la collection de "Science et Vie "depuis ses débuts. Je vous invite à chercher ses bijoux, et relire les prospectives d'il y a trente ans sur ce que sera l'an 2000. C'est hallucinant, tous les articles sont des délires fantaisistes et prévoient un futur surréaliste. Après cela, vous n'aurez plus le courage de prédire le temps qu'il fera demain.

GPS.

Gardons toutefois un esprit critique. J'ai l'occasion de relire la collection de "Science et Vie "depuis ses débuts. Je vous invite à chercher ces bijoux, et relire les prospectives d'il y a trente ans sur ce que sera l'an 2000. C'est hallucinant, tous les articles sont des délires fantaisistes et prévoient un futur surréaliste. Après cela, vous n'aurez plus le courage de prédire le temps qu'il fera demain.

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 Affichages

Une véritable révolution arrive. Les progrès sont considérables dans le domaine des afficheurs. Attendez-vous à voir un changement complet. Ces dernières décennies, l'évolution a pourtant été assez lente.

 

 Les analogiques à aiguille.

Au début n'existaient que les galvanomètres à aiguille, qui étaient très lisibles, et sont les plus agréables à utiliser, mais ont deux inconvénients :
- Ils coûtent trop cher en production, le galvanomètre est d'une réalisation délicate, et pour les 360° de girouettes et de compas, il faut un moteur cher et complexe.
- Une seule aiguille à une distance de plus d'un mètre ne permet pas une résolution meilleure que 60 graduations (les minutes de la montre), cela n'a pas grande importance car nos appareils n'offrent guère mieux, mais le consommateur niais veut lire 99,99 mètres sur son sondeur, alors que la mesure est entre 95 et 105 mètres en réalité, mais il faut flatter le chaland. En aéronautique le problème est très bien maîtrisé, les altimètres ont deux aiguilles et des chiffres sur tambours permettant de lire sans erreur les dizaines de milliers de pieds avec une résolution de la dizaine de pieds, mais le plaisancier de base n'est pas préparé.

 

 Les leds rouges

À la sortie des premiers afficheurs à leds (light emiting diode) rouges, comme sur les montres, une led par segment, une tentative a été faite d'adaptation à la plaisance, sans beaucoup de succès.

 

 Les lcd

Les afficheurs à diodes ont été très vite remplacés par les lcd (liquid cristal display), qui permettaient des affichages de grandes tailles, mais avec un contraste médiocre. Ils ont remplacé très vite les aiguilles. Ces produits sont en amélioration constante. L'évolution très importante à venir est l'apparition d'afficheurs banalisés, avec des afficheurs couleur à fort contraste (il n'est pas nécessaire d'avoir des résolutions très élevées), avec quelques touches de fonctions paramétrables, pouvant émuler tous les instruments sur le bus NMEA. L'utilisateur pourra choisir toutes sortes de présentations d'affichages, classiques modernes ou farfelus, y compris des simulations d'aiguilles. Il n'y a pas de limites à l'imagination. C'est le retour de l'analogique (émulé !), solution parfaite quand elle est doublée d'un affichage numérique, les déplacements d'aiguilles étant bien mieux perceptibles que des défilements de chiffres.

 

 

 Les plaquettes

En parallèle à ces afficheurs polyvalents il subsistera aussi les afficheurs à plaquettes, qui se trouvent déjà chez quelques fabricants. Ils sont presque parfaits, pour des affichages visibles de très loin, avec des 3 digits en pied de mât. Ils sont constitués de plaquettes commandées électromagnétiquement, une face noir mat, l'autre jaune ou orange fluorescent. La visibilité est maximale de jour et de nuit. Ces gros afficheurs sont encore chers mais promis à une diffusion croissante sous forme d'afficheurs multifonctions.

   Silva, répétiteur non clickable

 

 

 Autres systèmes

Il existe des afficheurs à gaz, très bien visibles, mais assez peu adaptés au milieu marin à cause des hautes tensions mises en jeu et de la pollution du spectre électromagnétique peu maîtrisable. Ils ne semblent pas devoir se répandre.
L'automobile va produire des affichages tête haute, déjà très présents en aviation, mais ils ne sont pas adaptables en voile. Sur le pare-brise d'un bateau à moteur, cela serait possible, mais n'a aucun intérêt sur nos mobiles à déplacements lents (sauf en course offshore).
Les panneaux à matrices de diodes n'offent pas un bon compromis jour/nuit et ne sont pas visibles en plein soleil.

Situation en 1980 : Afficheurs lcd peu contrastés et analogiques
Situation en 1990 : Lente évolution, début confidentiel des panneaux basculants
Situation en 2000 : Progrès lents et constants
Situation en 2010 : Amélioration très importante de la visibilité et retour des analogiques mais émulés en lcd

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 Girouette anémomètre

Ce matériel n'a pas évolué et n'évoluera plus significativement. Les capteurs se sont améliorés grâce aux capteurs intégrés à effet hall. Le godet déséquilibré aurait dû se développer, mais il est protégé par brevet et sa diffusion est encore très limitée.

Situation en 1980 : Stable, potentiomètres et interrupteurs à lames souples 
Situation en 1990 : Stable, avec généralisation des capteurs effet Hall
Situation en 2000 : Stable, début confidentiel du godet déséquilibré
Situation en 2010 : Stable, effet Hall.

 

 

 Loch et speedomètre

Ce matériel n'a pas évolué et n'évoluera plus. La roue à aube domine largement, les systèmes électromagnétiques et doppler sont totalement abandonnés.
Il est appelé à disparaître bientôt avec l'augmentation de précision des systèmes de localisation par satellites qui supprimera les capteurs immergés.

Situation en 1980 : Stable, abandon poisson et compteur loch mécanique 
Situation en 1990 : Stable, hélice ou roue à aube, électromagnéique confidentiel 
Situation en 2000 : Stable, roue à aube
Situation en 2010 : Stable (quand le capteur immergé disparait, calcul par position GPS , mais perte du déplacement relatif)

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 Sondeur

Ce matériel n'a pas beaucoup évolué, la sonde à ultrasons est indétrônable. Il reste l'espoir de voir se généraliser les systèmes à vision vers l'avant, mais la complexité et la taille de la sonde limite les évolutions. Autre amélioration, l'adjonction d'un mode enregistreur graphique aux instruments classiques de tableau, en plus des seuls gros digits. Aucun gain n'est possible sur la précision, liée à la célérité variable du son, mais ce n'est pas important.

Situation en 1980 : Néon tournant, suprématie du bon gros "Seafarer " (antique mais très précis) 
Situation en 1990 : Afficheur à aiguille, aux indications parfois ératiques
Situation en 2000 : Afficheur numérique, idem 
Situation en 2010 : Développement de la vision vers l'avant et latéralement en haut de gamme et intégration de l'image 3D sur l'enregistreur.

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 VHF

La VHF est le moyen de communiquer à courte distance entre bateaux, avec les capitaineries. La VHF a été longtemps utilisée pour des liaisons téléphoniques en côtière, mais cette fonction a disparu en quelques saisons à cause de l'explosion des GSM , beaucoup moins chers. La diffusion météo et la veille disparaissent aussi en passant au tout numérique. Ce matériel évolue totalement, voir la page VHF et DSC 
La phonie entre bateaux proches (moins de 10 milles) restera une constante.

Situation en 1980 : Peu de canaux au pas de 50 kHz, matériel cher et rare 
Situation en 1990 : Canaux pas de 25 kHz, répandu, téléphonie et météo
Situation en 2000 : Abandon de la téléphonie analogique, de la météo, de la veille 16. Evolution vers le DSC
Situation en 2010 : Téléphonie et services numériques intégrés (météo, détresse, relayage...).

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 BLU

La blu était le seul moyen de communiquer à longue distance, après la disparition de la télégraphie, mais réservé aux gros bateaux. Les stations mondiales, comme la regrettée Saint Lys Radio, fermeront les unes après les autres. Ce moyen est en phase de disparition rapide, balayé par le satellite, efficace mais déshumanisé. Il est très frustrant et surréaliste, quand la situation est critique, dans une mer hostile, de composer un numéro de téléphone et de tomber sur un répondeur…

Situation en 1980 : Suprématie après l'abandon de la télégraphie, surtout sur les gros bateaux 
Situation en 1990 : Stable, évolution des lampes vers les transistors 
Situation en 2000 : En déclin rapide, remplacé par le satellite
Situation en 2010 : Disparu, ne resteront que les liaisons pour les radioamateurs autorisés.

 

 

 Récepteur et goniométrie

Ce matériel s'est miniaturisé mais ne sert plus qu'à écouter la musique, la radiolocalisation n'existe plus (sauf en VHF pour la détresse). La BLU est morte, tuée par le satellite.

Situation en 1980 : La goniométrie est bien au point et très utilisée 
Situation en 1990 : La puissance des radiophares diminue, la gonio disparaît
Situation en 2000 : Plus de gonio, plus de blu, juste la météo en local
Situation en 2010 : Le poste sert à écouter de la bonne musique en numérique.
 L'AIS devient très répandu.

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 Satellite

La communication satellite, au début Telex, puis fax, puis phonie, bientôt vidéophonie et Internet va envahir nos petits bateaux, grâce à la baisse permanente (taille et prix) des antennes à poursuite automatique et des matériels.

Situation en 1980 : Rien à bord 
Situation en 1990 : En progression sur les gros navires
Situation en 2000 : Se répand doucement en plaisance
Situation en 2010 : Très bien implanté, Internet à gros débit, fax, phonie, météo à bord, mais reste cher.

 

 

 Navtex

Evolutions très lente, diffusion lente malgré l'intégration à un système mondial généralisé, mais le contenu reste très pauvre.

Situation en 1980 : Stable, peu diffusé, contenu médiocre 
Situation en 1990 : Stable
Situation en 2000 : Commence à se répandre. En 2001, adjonction du bi-fréquence, ajoutant la langue locale..
Situation en 2010 : En progression suite à la disparition des diffusions en VHF , concurrencé par le satellite, incorporé dans le GMDSS.

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 Pilote automatique

Ce matériel évolue très doucement mais régulièrement, il est déjà très bon, il va devenir parfait avec les systèmes experts.

Situation en 1980 : Stable, capteur optique polaroïd, rustique à performances limitées 
Situation en 1990 : Stable, capteur fluxgate, en progrés grâce à l'électronique
Situation en 2000 : Stable, ajout de l'accéléromètre, encore meilleur
Situation en 2010 : Stable, système expert, très performant.

 

 

 Radar

Ce matériel est en évolution douce et se démocratise, il envahira tous les bateaux. La veille automatique est un progrès certain mais elle ne doit pas faire oublier la prudence du marin. La diminution des coûts de production de l'antenne amènera une dégradation des performances, mais le traitement numérique rattrapera ces pertes, le but étant surtout de sortir les objets proches, à quelques milles.

Situation en 1980 : Cher, rare sur les petits bateaux 
Situation en 1990 : Apparition timide avec des écrans lcd monochromes 
Situation en 2000 : La veille automatique séduit le solitaire, progrès lents mais constants, couleur 
Situation en 2010 : Couplé à la cartographie, un vrai bonheur...

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 GPS

Ce matériel a explosé, il a balayé les sextants, Loran (maintenant abandonné en Méditerranée), Decca, Satnav, c'est une vrai révolution, toujours en croissance. La précision est maintenant excellente.

Situation en 1980 : Inexistant 
Situation en 1990 : Cher mais révolutionnaire
Situation en 2000 : Domination absolue, prix dérisoires, position GPS à 100 mètres près
Situation en 2010 : Systèmes beaucoup plus précis, localisation au mètre près, merveille en évolution. Malheureusement toujours pas de Galileo à moyen terme.

 

 

 

 Cartographie numérique

Ce matériel est en progression contante comme le GPS , les deux sont liés. La cartographie s'affine, mais elle n'a pas la fiabilité des cartes papier. Elle s'impose car une énorme masse de données est archivée dans des supports minuscules. Le vectoriel donne de posibilités considérables.

Situation en 1980 : Inexistante 
Situation en 1990 : Cartes bit map sur cd roms, très chères, sur ordinateurs portables
Situation en 2000 : Cartouches dans les lecteurs de cartes abordables en affichage cga, position GPS à 100 mètres près. Début de la cartographie téléchargeable depuis un CDRom
Situation en 2010 : Cartographie et affichage haute résolution, en évolution constante, mises à jour de grande précision et intégration des avurnavs en temps réels pour la zone grâce à la liaison radio internet.

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 Sextant

Il n'a rien d'électronique mais son importance est vitale. Ce matériel superbe disparait, c'est très dommage, il donnait au navigateur une très grande satisfaction, quand après des visées délicates et des calculs subtils, un triangle de position à un mille près était obtenu au croisement de trois droites. La navigation astronomique était un régal intellectuel. Le GPS a tué ce moment de bonheur. les ersatzs plastiques ne donnaient pas grand chose de bon.

Situation en 1980 : La perfection mécanique et optique est atteinte, l'objet est parfait, l'exploitation reste élitiste et complexe 
Situation en 1990 : C'est la fin, serais-je le dernier à viser ?
Situation en 2000 : Plus personne ne sait faire une droite de hauteur, c'est quoi les HO249 ?
Situation en 2010 : Ah oui, j'en ai vu dans un musée, Christophe Colomb en avait un pour gagner sa première Transat !

   Instruments, non clickable, 2.7 ko

 

 Charge et batteries

Rien mais vraiment rien de neuf. Les batteries ne sont pas très différentes des modèles qui existaient lors de la première guerre mondiale, elles sont toutefois un peu meilleures et plus légères. Les chargeurs ont maigri grâce aux techniques de découpage. Les alternateurs ne bougent plus. L'abandon du 12 V n'interviendra pas avant longtemps, voir évolution de la tension de bord en page énergie .
Les aérogénérateurs s'améliorent très doucement, le solaire évolue peu. Rien en vue, sauf les piles à combustibles qui devraient se répandre si le prix baisse considérablement et le nucléaire (mais non, je plaisantais !). Le chapitre suivant va dire exactement le contraire...

Situation en 1980 : Stable depuis un siècle, le plomb est vraiment désespérant, très faible énergie massique... 
Situation en 1990 : Stable
Situation en 2000 : Très lents progrès, rien d'autre que le plomb, batteries en spirale, le reste est trop cher 
Situation en 2010 : Rien de neuf, la bi-énergie, les piles à combustible, on en parle c'est l'incertitude totale pour les decennies à venir...

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 L'énergie du bord

Je ne parle ici que de l'énergie principale, le moteur est le dispositif de charge. Cela a très peu changé ces trente dernières années. Les moteurs actuels sont simplement un peu plus légers mais plus fragiles et sensibles aux mauvais carburants. Ce qui a changé est que les fabricants de moteurs marins (sauf Yamnar) ne fabriquent plus rien mais se contentent de mariniser sommairement des moteurs automobiles, en rajoutant simplement un échangeur et une pompe à eau de mer puis surtout une couche de peinture pour justifier le surcoût énorme. Cela revient moins cher en production d'acheter une base déjà sortie à des centaines de milliers d'exemplaires et étudiée par d'autres. Le réducteur est la seule pièce spécifiquement marine, mais c'est le même qui est utilisé depuis quelques dizaines d'années, les frais de recherche sont bien amortis. Ils sont toujours aussi mal conçus, bruyants et mal lubrifiés sous voile si l'arbre n'est pas bloqué, sans silentbloc efficace ni roulement d'absorption de poussée. Il faut accepter de perdre parfois en vitesse en bloquant l'arbre ce qui perturbe les écoulements, l'hélice bloquée agit comme un frein puissant…
Cette invasion des moteurs d'automobiles a toutefois un avantage, à moyen terme les progrès certains dus à l'énorme recherche et la poussée de l'écologie auront des retombées positives pour nous, mais avec le retard habituel de dix ans toutefois.

Le "common rail ", distribution du gazole à très haute pression avec injecteurs pompes, est un énorme progrès en terme de performances, poids, consommation et pollution. Il est sur les nouveaux moteurs, économes et fragiles.

La tension du bord va changer, cela est évoqué en page : énergie du bord 

DGPS et GPS

Publié dans Electronique de bord lundi, 06 février 2017 05:24 0
DGPS et GPS

GPS

Maj : 15/06/09

 Abstract :
The only purpose of this small page is to explain at the sailor what is a D.G.P.S. it is only a minimal presentation for sailing. You will found information in links, if you need to start the construction quickly. But new situation is absolutely different after the GPS revolution of may 2000. Need for a DGPS is lower now. Links for DGPS , GPS and antennas, including home made patch and helix antennas.

 Résumé :
Cette petite page a pour seul but d'expliquer au navigateur ce qu'est le système D.G.P.S. Voici une présentation minimale du récepteur DGPS pour la navigation. Vous trouverez toutes les informations en anglais dans les liens, si vous vous voulez vous lancer rapidement dans une réalisation. Mais la situation est maintenant radicalement différente depuis la révolution du GPS en mai 2000, l'abandon de la dégradation volontaire. Le besoin d'un DGPS est bien moindre maintenant. Liens pour DGPS , GPS et antennes, incluant les antennes patch et hélices de réalisation amateur.

 

 

  Introduction

Cette page ne concerne que le DGPS . Une page spéciale, comportant elle aussi une part d'électronique, est consacrée au GPS , en particulier :

Interfaçage du GPS avec le bus NMEA 183 et la liaison série RS-232

Le DGPS se présente soit comme un ensemble indépendant, comportant récepteur et décodeur séparés se branchant sur un GPS existant, soit intégré dans un GPS , lui même souvent partie d'un lecteur de carte. Le GPS utilise une antenne champignon, le DGPS un petit fouet en plus.

Le GPS est le "Global Positionning System ", ou système de positionnement Global. Il ne fonctionne qu'avec une guirlande de satellites américains, sur la fréquence de 1.5 GHz pour nous.
Le DGPS ajoute le D pour "Differential "ou différentiel. Des stations à terre envoient des informations complémentaires de correction d'erreurs pour augmenter la précision, mais ne couvrent que de petites zones alors que la couverture GPS est mondiale. Le DGPS a donc une double réception, les deux modules sont indépendants.

Cette page a été lancée avant l'abandon de la dégradation volontaire, elle a maintenant perdu beaucoup d'intérêt, sauf pour les liens.

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 J'ai acheté un DGPS donc il marche !

Je suis stupéfait de constater sur les nombreux bateaux que je vois, qu'une majorité de DGPS neufs, installés récemment (avant 05/2000), sont totalement en panne sans que le propriétaire s'en soit rendu compte. Seule la partie GPS fonctionne. Systématiquement, j'explique la procédure et le propriétaire est très étonné de découvrir qu'il est en panne. Je ne connais pas d'autre matériel pour lequel cela se produit. Si vous achetez un speedomètre qui indique toujours une vitesse nulle, vous protesterez, mais pour un DGPS qui n'a jamais marché, non… C'est très étrange. Il est vrai que j'ai rencontré des plaisanciers qui avaient un superbe sondeur numérique qui était resté depuis l'installation en mode simulateur sans que cela pose le moindre problème, l'image était très jolie et on voyait toujours passer des poissons de synthèse sous la quille. Par peur du ridicule ils ne s'en étaient jamais plaint. Depuis l'abandon de la dégradation, la panne de DGPS est quasiment indétectable.

 

 

 Je teste mon DGPS

Voici la méthode qui était utilisée avant 05/2000 ! ( je la conserve pour mémoire pour le principe, mais elle n'est plus d'actualité).
Rien de plus simple. Il faut que le bateau soit amarré à un ponton et reste à un point fixe. Il suffit de passer en mode enregistreur sur le traceur, disons un point par minute, d'effacer la mémoire et de laisser tourner au moins un jour. Vous réglez l'échelle pour avoir un demi-mille en diagonale sur le traceur. Au retour vous aurez un gros patté, approximativement centré sur la position vraie.

  Si les écarts sont de quelques mètres, le DGPS fonctionne parfaitement.

  Si les écarts sont de quelques centaines de mètres, vous n'avez pas de DGPS . Dans ce cas, soit vous avez payé pour un DGPS et il n'existe pas (mais vous pouvez avoir la jolie étiquette), soit il est en panne, soit vous n'êtes pas dans une zone de réception.

Cette méthode est infaillible, testez, vous serez surpris… Ne vous attendez quand même pas à des merveilles avec un DGPS , comme sur les publicités optimistes.

Avant l'abandon de la dégradation en 05/2000 : Un très bon GPS vous placait au mieux dans un cercle de 150 mètres de rayon, un très bon DGPS dans un cercle réaliste de 30 mètres de rayon.

Voici un exemple d'affichage sur le traceur sur une durée de 24 heures. Le bateau est mouillé à quai au Vieux-Port de Marseille. Sa position vraie est au centre du tracé. Le rayon de probabilité est de 50 mètres environ (les pannes mesurent 100 mètres de long). La précision est un peu meilleure en longitude. C'est un très mauvais résultat pour un DGPS haut de gamme, comparé au mode GPS seul, à peine trois fois moins bon.
Cet enregistrement a été fait juste avant l'abandon de la dégradation en mai 2000. Maintenant, diviser tous ces chiffres par dix !

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 A quoi sert un DGPS

En navigation une précision à quelques mètres ne sert strictement à rien, mais l'intérêt du DGPS est multiple. Il permet de calculer un très bon vecteur vitesse, ce que les écarts d'un GPS de base ne permettaient pas (avant 05/2000), sauf en moyennant sur des temps très longs. C'est parfait pour retrouver des sites de plongée isolés. En régate très pointue, comme pour l'América Cup, il permet de suivre les positions à la perfection, à bord et à terre sur Virtual Spectator, d'optimiser le départ en régate...
Au large, le DGPS ne marche pas partout car il est très souvent hors de la zone de couverture des balises.

 

 

 Comment marche le DGPS

Un rappel : Le DGPS est un GPS (Global positioning system) avec un "D "pour différentiel.
C'est très simple. Un GPS classique est monté dans un local à terre. La position de son antenne est parfaitement connue à quelques centimètres près. Ce GPS écoute en permanence tous les satellites visibles dans sa zone. Il analyse le signal de chacun et détermine le retard variable provoqué entre autre par la traversée des basses couches de l'atmosphère. Le satellite étant très loin, tous les GPS de la zone de couverture de la balise DGPS seront affectés de ces mêmes retards erratiques. Un petit automate compare en permanence cette position reçue, qui fluctue de quelques centaines de mètres à la position réelle et calcule chaque retard. Il envoie en permanence la correction sous forme normalisée, numéro de satellite suivi du retard en nanosecondes ou indication de problème (le satellite ne sera pas pris en compte). Un petit demi modem (émission seule, modulateur) module un émetteur qui envoie les informations sur sa zone.
A bord, le client reçoit ce signal sur un simple récepteur, le décode sur un demi modem (réception seule, démodulateur), et renvoie l'information brute sur le GPS pas la liaison NMEA 183. Le GPS a une entrée spécialisée et sait traiter ce signal.

 Il est donc très simple de réaliser un DGPS , je décrirai la réalisation détaillée ultérieurement s'il y a des clients.

Dans le même ordre d'idée, il est aussi simple de réaliser une balise d'émission, vous pouvez ainsi couvrir une zone pour une utilisation privée dépendant de la couverture d'émission. Vous devez rester dans la légalité pour le choix des fréquences et puissances d'émission. 

La seule réalisation qui intéresse le plaisancier moyen est le récepteur DGPS utilisant les balises commerciales. Attention toutefois, les zones couvertes sont réduites.

En France, les rares émetteurs sont en grandes ondes autour de 300 kHz. Leur faible puissance et les aléas de propagation sur ces bandes, les effets de nuit, n'assurent pas une très bonne couverture sur les zones.

 GPS

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 Réaliser un DGPS maison

   La réception
Il faut tout d'abord un récepteur. La réalisation est très simple (je ne parle pas de la partie GPS !), vous trouverez des descriptifs dans les liens et dans les anciens numéros d'Elektor. Chaque émetteur ayant une fréquence particulière, il faudra donc soit le syntoniser en fonction de la zone (récepteur classique à accord par condensateur variable) ou mieux le verrouiller par une pll en choisissant les quelques fréquences. Le réglage à l'oreille est facile. Tous les modèles conviennent. Une antenne fouet ou un bout de fil traînant derrière un vaigrage améliore la réception. N'utilisez pas de barreau ferrite, il est directif, vous ne cherchez pas à faire de la goniométrie.

  La carte
Le signal est très lent. La moins performante des petites cartes microcontrôleur décode sans problème à 100 bps, et génère le signal NMEA 183 à 4800 Bauds. C'est un projet très simple à réaliser.
Seule condition de réussite : Commencez par écouter sur un récepteur ordinaire le signal sur votre zone, s'il n'est pas très bon, ne continuez pas. La réception de qualité sera la partie la plus délicate. Les listes de fréquences sont dans les liens.

 

 

 Le DGPS inversé

Une autre application est très utilisée par les transports routiers, flottes de bus, taxis, camions… Le central a besoin de connaître avec précision la position de chacun de ses véhicules, renvoyée par radio. Au lieu d'équiper chaque client d'un DGPS onéreux, un simple GPS est utilisé, le central faisant lui mène les corrections. Il se comporte donc comme une station de référence DGPS sans émission.

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 Le DGPS sans balise, VRS

Il existe un autre système de différentiel. La réception de la correction n'est plus alors fournie directement par une station au sol, mais par le satellite lui-même. Des installations au sol dans les régions développées, analysent l'écart de la position donnée par le satellite et lui renvoient leur correction locale. Le réseau GPS intègre ces données, génère une carte de corrections ponctuelles très précises et la renvoie sur un canal de service. Le DGPS n'utilise donc plus d'antenne fouet supplémentaire pour recevoir la correction en grandes ondes. 
C'est la technologie de station de référence virtuelle (VRS) qui donne une précision à mieux que le mètre dans nos régions. La photo montre un tel GPS Différentiel Intégré Précision sub-métrique, le Garmin, Ag GPS 132.

 Garmin

Ce système est très utilisé en agriculture et équipe les petits avions d'épandage qui sont capables de traiter un champ en pulvérisant le produit très exactement dans les limites définies. Le passage par bandes d'une vingtaine de mètres se fait en pilotage automatique contrôlé par DGPS et girouette anémomètre au sol, d'après une carte d'épandage tracée à l'avance. La tolérance sur la quantité de produit déversé au mètre carré est très faible. En sortie de bande, le pilote désactive l'automatisme et effectue le virage manuellement. Le calculateur montre l'alignement de la meilleure bande suivante, le pilote s'aligne grâce à un affichage à rangée de leds en vision tête haute et repasse en pilotage automatique (3 axes, altitude rigoureusement constante, vent compensé). La commande des pulvérisateurs et évidemment automatique. Le pilote dispose d'un écran sur lequel apparaissent en couleurs différentes les zones traitées ou à traiter.
Après avoir vu cela,, vous vous dites, moi aussi je veux pulvériser du défoliant sur les viets avec mon bateau, et je veux rentrer dans le port avec ma vedette à 20 nœuds les yeux bandés, jusqu'à ma place à la panne. Il y toutefois un bémol… L'appareil est vendu 7000 € et le service est facturé par abonnement 1200 € par an, ce qui l'interdit donc au plaisancier. Il est peu intéressant pour un pécheur qui dispose en côtière de balises classiques sans abonnement.
Il n'est pas possible d'en faire une réalisation amateur, les données sont cryptées, le décodeur est très élaboré.

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 Réalisation pratique

Du DGPS , pas d'un missile de croisière, à continuer ultérieurement s'il y a des clients pour ce projet. Le projet Navtex n'avait suscité qu'une dizaine d'intéressés. Le projet DGPS est dix fois moins complexe, il y a de l'espoir... Il ne consiste qu'en la réalisation (ou l'adaptation) d'un récepteur GO entre 283.5 et 325 kHz, suivi d'un petit (demi) modem FSK or MSK. La sortie des données en RTCM SC-104 est reliée à l'entrée du GPS (qui possède des broches TXD et RXD).

Projet abandonné !

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 Installation de l'antenne

 

Ce point est trop souvent négligé. La position idéale, de l'antenne GPS et du fouet DGPS , est vers 4 mètres au-dessus de l'eau, ce qui améliorera considérablement la réception par rapport au montage classique sur balcon, trop bas et masqué. Si vous installez sur portique, surélevez l'antenne par une rallonge (de préférence en fibre pour diminuer l'ombre), afin qu'elle se situe à un mètre au-dessus du plan d'émission de l'antenne radar. Pour éviter qu'elle ne serve de poignée aux éléphants du bord, montez la base sur un petit silentbloc, le tube se dérobera en cas de contact et sauvera l'antenne. La qualité de l'antenne est prépondérante pour décoder le signal.

 

 

 Stations françaises

 

Les signaux sont reçus avec un champ de 50 mV/m à 50 milles. Le débit est de 100 bps. Il ne faut pas s'attende à une réception à grande distance de l'émetteur, au delà d'une centaine de milles. Voir les liens pour la liste à jour .

GPS

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 Le WAAS

 

Tous les GPS sortis depuis 2002 sont compatibles WAAS (Wide Area Augmentation System). Les américains ont implanté un réseau de 25 stations de référence couvrant tout leur territoire. Cela est très proche du système DGPS , la différence majeure est qu'il n'est pas nécessaires d'avoir un récepteur supplémentaire. Les corrections sont envoyées à des satellites géostationnaires de communication qui le renvoient sur la bande GPS normale (L1, 1575.42MHz) ; ils sont vus comme des satellites GPS supplémentaires (mais fixes). 
La résolution est alors meilleure que 7 mètres dans les 3 dimensions avec le WASS! Cette petite merveille a une couverture limitée au territoire US mais évolue vers l'Europe. L'évolution est à suivre. Les anciens modèles de GPS ne sont pas upgradables en WAAS.

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 Révolution dans le GPS au 1/5/2000

 

Depuis mai 2000 la dégradation volontaire de position GPS est supprimée.

Nous attendions cette nouvelle depuis longtemps. Une des premières pages : garmin.com
D'innombrables articles ont repris cette information par la suite.

En pratique c'est pour nous une amélioration réelle d'un facteur 10 de la précision du positionnement.
Voici le premier diagramme montrant la différence : igeb.gov/sal
Une des raisons est la pression des responsables de la sécurité routière US. Ils voulaient savoir de quel côté de l'autoroute l'accident s'était produit, avec les systèmes automobiles embarqués déclenchant une alerte en cas de choc. Ce n'est possible qu'en ayant enlevé la dégradation volontaire. Les américains savent maintenant dégrader à la demande la précision sur une zone limitée, cela sera adapté suivant les conflits du moment.

Une autre raison et de vouloir imposer le GPS avant le lancement du système européen pour verrouiller leur monopole.

 

Voici un enregistrement de la position à mon mouillage dans le Vieux Port de Marseille sur une période de 24 heures après l'abandon de la dégradation :
Le nouveau résultat est extraordinaire ! La largeur du port repérée par le tracé, est d'environ 300 mètres entre les rives Nord et Sud.
Sur le nouvel enregistrement le bateau est maintenant centré dans un cercle de 15 mètres de rayon, mesuré en zoomant cette image.
Avec la dégradation, le cercle était de plus de 150 mètres de rayon et le tracé sur 24 heures sortait largement des limites du port.

Autre avantage, l'affichage de la vitesse fond et du cap en route ont gagné une parfaite stabilité.

Ne croyez pas que cette amélioration enlèvera tout intérêt au DGPS , il gagnera encore en précision ! L'affichage du vecteur vitesse fond va encore s'améliorer. Il est toutefois certain que depuis cette révolution, l'intérêt de ce projet DGPS maison s'est beaucoup émoussé, mais il conserve sa valeur pédagogique !

 

Après essais multiples, depuis l'abandon de la dégradation, le DGPS élimine quelques points aléatoires qui apparaissent sur les enregistrements longs de position en GPS seul, et fait gagner un peu plus en précision sans points aberrants.

Et l'altitude dans tout cela? Cette coordonnée a toujours été très fantaisiste avec le GPS. Avant, l'altitude au niveau de la mer variait de quelques centaines de mètres positifs ou négatifs), maintenant quelques (grosses) dizaines, moins en DGPS Ce n'est pas demain que le GPS servira à mesurer les marées...

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 L'avenir du DGPS

Le DGPS avait un immense avenir avant 05/2000, de nombreuses stations de référence privées se mettaient en place, surtout pour les applications terrestres. 
Depuis l'abandon de la dégradation, l'avenir du DGPS est incertain en terme d'intérêt économique. Aucune certitude n'existe à ce jour, le système GPS va encore évoluer, et s'améliorer. 
Le système européen Galileo, est mort, les fonds ayant détournés vers du populisme électoraliste. Le Glonass soviétique, qui n'a jamais été utilisable par le grand public, n'a pas survécu au communisme... Alors que va devenir le DGPS ?

Noublions pas que le DGPS permet de détecter un décrochage du reseau GPS et que les américains peuvent remetttre sans préavis la dégradation lors d'une prochaine guerre.

L'introduction du WAAS met sérieusement le DGPS en concurence dans les zones couvertes.

La politique d'abandon de la dégradation a supprimé l'intérêt du DGPS !

 

 

 Liens DGPS

Interfaçage USB  . . . . . . . Convertisseur_usb_serie  . . . . . . . GPS et interfaçage NMEA-183 . . . . . . .Liens cartographie marine électronique 

Les incontournables avis du SHOM : shom.fr

Très bonne page en français, avec traduction des pages WAAS : agirard.free.fr/gps
La page WAAS originale US, extraite de Joe Mehaffey and Jack Yeazel : gpsinformation.net/exe/waas

Standard marine NMEA 2000

Publié dans Electronique de bord lundi, 06 février 2017 05:23 0

Bus automobile CAN

Standard marine NMEA 2000

 

Introduction
Le bus CAN
Le NMEA 2000
Présentation du bus
Implantation
FAQ
Conclusion

Maj : 24/09/02

 Abstract :
The CAN bus is a very robust serial-data communications network to interconnect equipments of automotive industry present and future. Software and twisted pairs hardware are perfectly fixed.
The NMEA 2000 standard is constructed on CAN to interconnect marine electronic equipment onboard vessels. Data, commands and status of all equipments of the biggest ship can be shared without any problem on this bus.

 Résumé :
Le bus CAN est un très robuste protocole de communication en réseaux pour relier les équipements de l'industrie automobile actuels et futurs. Le software et le hardware en paires torsadées sont parfaitement définis.
Le standard NMEA 2000 est construit sur la couche CAN pour relier les équipements électroniques embarqués. Les données, commandes et statuts de tous les équipements du plus gros navire peuvent être échangés sans aucun problème sur ce bus.

 

 

 

 Introduction

Cette page va évoquer deux bus majeurs. Le premier est le bus CAN, bus industriel adopté par toute l'industrie automobile et qui s'impose sur tous les nouveaux véhicules en plusieurs exemplaires. Il a toutes les qualités de robustesse et de bonne conception. Toutes les applications à microcontrôleurs récentes l'incorporent.
Le deuxième est le nouveau bus (plus exactement protocole) marine universel NMEA 2000 qui a eu l'intelligence de s'appuyer sur le précédent. Il hérite donc de ses qualités. Le NMEA 2000 est simplement une extension logicielle du CAN. 
Cette page couvre les parties "électronique " et "voile ", ce qui explique le changement du séparateur.

 

 

 Le bus CAN

 

Cette petite page ne va pas développer en profondeur le bus CAN (Controler Area Network) car ce sujet est bien trop vaste, mais simplement jeter quelques bases pour les débutants et donner envie d'approfondir.
Les sources d'informations sur ce bus majeur sont riches.

 

 Le CAN en quelques mots

Le CAN a été lancé en 1990 pour répondre aux besoins de l'industrie automobile devant la montée de l'électronique embarquée. En 2005 une voiture moyenne comportait des dizaines de microcontrôleurs. Pour éviter les monstrueux 2 km de câblage d'une grosse voiture actuelle, soit 100 kg de cuivre, il fallait définir un bus série simplifiant énormément l'intégration des fils dans le châssis.

En pratique, il y a trois bus CAN différents dans une voiture, à des débits différents :

° Un bus très rapide pour gérer la sécurité (freinage, ABS, détection chocs, airbags...).

° Un bus à vitesse moyenne pour gérer le moteur (commandes et capteurs).

° Un bus lent pour gérer tous les accessoires (lampes, moteurs d' asservissements, boutons...).

L'énorme avantage est que la puissance de l'industrie automobile a permis de définir un excellent bus. Le défaut est que chaque constructeur voulant imposer sa version, la normalisation a été laborieuse. A ce jour le protocole se stabilise et se répand dans toute l'industrie. Iil existe sous deux versions, 2.0A, trame standard identificateur de 11 bits et 2.0B avec 29 bits.
Les Can Low Speed et High Speed décrits respectivement dans les documents ISO 11519-1 (et 2) et ISO 11898.

Les composants CAN, périphériques et contrôleurs intégrant le protocole deviennent très nombreux à des prix bas. Dans les projets, le bus CAN 2.0B sera toujours utilisé.

Quelques composants CAN

Cette image est extraite du document cité dans les liens : Can Application Fields

 La sécurisation du CAN

Pour relier les composants, le réseau CAN est vraiment le produit industriel idéal actuellement et à moyen terme, mais l'USB 2 et 3 sera le leader des liaisons entre périphériques PC. La différence vient du besoin de la sécurisation du bus et de l'immunisation aux parasites.
Sur du CAN le blindage contre les agressions d'un environnement hostile est maximum, pour ne pas planter l'ensemble des périphériques en cas de défaillance d'une zone.
Un seul câble à 4 fils, comportant la paire des données et la paire des alimentations relie tous les multiples matériels point à point en constituant une boucle pour le bus accessoires.
En cas d'accident supposons par exemple qu'un feu arrière soit écrasé. Un fil ou les deux du bus données peut être alors coupé, ou en court circuit ou en contact avec la masse ou le positif. Il faut tolérer cette anomalie majeure qui ne doit pas planter le reste de la voiture, tous les autres équipements doivent continuer à fonctionner sans problème. Des dispositifs de délestage et de rebouclage gèrent ces incidents.
Il est évident q'un bus USB ou Ethernet ne prend absolument pas ces anomalies en compte, il ne peut donc être comparé.

 

 Résumé du CAN

Pour résumer très brièvement les caractéristiques majeures :
Paire torsadée, signal différentiel à fronts cassés, très faible rayonnement et insensibilité aux parasites.
Choix du débit suivant l'application et la distance, 5 kbps, 125 kbps et 1 Mbps et toute valeur intermédiaire à la demande. Pour les applications à bord d'un véhicule même sur équipé, ce bus répond à toutes les exigences.
L'exploitation du CAN est extrêmement facilitée par des boites à outils logicielles qui évitent de travailler au niveau du bit à bas niveau. Divers contrôleurs intègrent une gestion CAN en dur, ce qui facilite encore le développement, le bus devient transparent pour le programme. 
Je ne rentrerai pas plus en détail dans ce bus complexe, je décrirai ultérieurement diverses applications de périphériques dans les projets.

 

 Informations sur le bus CAN

J'ai mis quelques misérables liens I2C et CAN dans la page " liens électronique  ".
Regardez les spécifications du PCA 82c250 chez Philips, c'est une très bonne interface CAN, vous comprendrez tout sur le CAN en étudiant la documentation.

L'implantation sur une carte est relativement simple, en utilisant les bibliothèques de fonctions pour gérer une patte de port en entrée, l'autre en sortie, l'interface CAN adaptant les niveaux vers la paire différentielle. Une fois la couche bas niveau implantée, cela est ensuite totalement transparent pour le logiciel.

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 Le standard NMEA 2000

Le NMEA 2000 est un protocole plutôt qu'un standard, ce n'est pas un bus. Il comble toutes les limitations de la norme NMEA 183 qui était vraiment à bout de souffle. La couche physique est tout simplement l'excellent bus CAN, avec tous les avantages cités au-dessus, adapté aux échanges des équipements nautiques. Il bénéficie du travail énorme fait pour l'industrie automobile et des composants déjà largement diffusés à bas prix.

Nous adopterons toutefois sans complexe la terminologie "bus NMEA 2000 ", cela englobant aussi le support physique, il n'est pas utile de faire ressortir ces détails subtils pour l'utilisateur.

En NMEA 183 le débit était de 4800 bauds, en CAN il est question de Méga baud, soit un facteur d'accélération de 200 à la vitesse maximale. En marine, il n'est pas utile d'exploiter la vitesse maximale.

Des champs d'identification et de données étant prévus dans le protocole CAN part B, l'adaptation à la marine n'a été qu'un problème de définitions de formats d'adresses et de données, le transport et toutes les couches matérielles et logicielles étant déjà parfaitement gérés.
Il est P&P, Plug & Play signifiant que les périphériques peuvent être branchés ou débranchés au vol en étant identifiés par le système.
Il accepte 50 périphériques comportant chacun 254 adresses ce qui est énorme.
Il utilise la paire différentielle CAN, choisie pour son insensibilité aux parasites, permettant de longs câblages en milieux perturbés.

Il est maintenant impératif de n'investir que dans de nouveaux matériels compatibles 2000 pour préserver l'avenir, quitte à rajouter un pont pour rétablir la communication avec les vieux matériels en 183. Les matériels incompatibles NMEA 2000 doivent être oubliés maintenant.
Je consacrerai ultérieurement des pages sur des applications à microcontrôleurs qui exploiteront une petite partie des possibilités considérables de ce bus.

 L'exploitation du bus par le plaisancier

Cela ne peut pas être plus simple, il y a deux paires, une pour les données, une pour l'alimentation. Chaque appareil se relie en guirlande au plus proche par une bretelle à 4 fils, dans un ordre quelconque et c'est fini pour vous. Les prises évitent de se tromper dans le sens. Le logiciel fait tout le travail et un nouvel appareil est immédiatement vu et exploité par tous les autres.

 Appareils à forte consommation

La liaison assure aussi l'alimentation, mais évidemment pour les consommateurs importants comme le moteur et l'embrayage du pilote automatique, ou pire, guindeau et propulseur d'étrave, une ligne de puissance classique sera indispensable. La ligne d'alimentation CAN en fil fin ne peut pas véhiculer de la puissance.

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 Comment se présente le bus NMEA 2000

Les instruments basiques vont se retrouver en guirlande comme avec le vieux 183.

Les habituels

° Speedomètre, girouette, sondeur.

° Le pilote automatique et en particulier le compas du pilote.

° Le traceur GPS et à l’avenir plusieurs GPS , car la position décalée des antennes et l’augmentation de la précision donnera un bon vecteur vitesse temps réel.
Pour le moment, le calcul de la direction ne peut être fait que d’après la position dans le passé, c’est impossible par le GPS si le bateau ne se déplace pas, mais il y a toujours le fluxgate et pour les gros bateaux, le gyrocompas. Le radar a besoin de toutes ces informations car les modèles récents ont un affichage multiple, toutes les sources pouvant être incrustées.
Dans le cas d’un radar avec un deuxième affichage déporté, un câble spécifique sera nécessaire, il ne serait pas astucieux de faire passer le flux vidéo par le bus bien que ce soit possible, mais ce serait le charger inutilement.

Les nouveaux

De nouveaux venus vont se raccrocher sur le bus, par exemple :

° Le guindeau qui sera commandé aussi du cockpit et de la télécommande radio avec l’affichage de la longueur de chaîne.

° Le propulseur d'étrave.

° Tous les enrouleurs et winches électriques.

° Le moteur diesel, et c’est une vraie nouveauté ! Les constructeurs proposent un boîtier relié au bus (voir liens. Il devient alors possible de rajouter une quantité de fonctions. Sur un instrument moteur unique, tout peut être affiché. Par défaut, ce sera évidement le compte-tours, ce qui est suffisant si tout va bien. Il est possible d’afficher sur demande tous les paramètres subtils pour les curieux et prévenir les pannes. Je ne donnerai que quelques exemples, il y en a d’autres :
Consommation gazole, moyenne, instantanée. Pressions et températures en tous les points du moteur, sur l’huile, l’eau (douce et salée), l’échappement, l’injection… Il y aura de quoi jouer au clavier pendant les longues heures au moteur dans la calmasse.
Évidemment, toutes les commandes peuvent être motorisées, dont l’inverseur, et tout peut être commandé au joystick ou avec un boîtier portable.
Cela est extrêmement pratique sur les gros bateaux à moteur et catamarans, car le skipper peut se déplacer pour mieux voir en particulier lors des accostages délicats, et la commande des deux moteurs et des propulseurs annexes peut être groupée permettant au bateau de tourner sur place ou de se déplacer vectoriellement dans une direction quelconque ou rester en position fixe avec vent et courant, grâce au GPS couplé à l’ordinateur de pilotage.

° Les accessoires : Tout le tableau électrique peut-être renvoyé sur un instrument multifonctions, permettant à la table à carte et au cockpit de tout commander comme les feux de navigation et de voir tous les courants des consommateurs et des éléments de charge, les énergies des batteries…

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 Implantation CAN et NMEA 2000

Par implantation d'un bus, il faut comprendre deux choses.

L'implantation physique

L'implantation physique est très simple, il suffit de câbler un composant d'interface ou le bon microcontrôleur et relier les quatre fils (en incluant les alimentations). Ces produits adaptés au marché automobile sont courants et très économiques. Mais la situation se complique beaucoup quand il faut passer à la couche logicielle.

Le basique Philips P8xC592

L'implantation logicielle

Autant l'exploitation du NMEA 183, constitué de messages texte en série et très lents était enfantine, autant l'implantation d'un noyau CAN/NMEA 2000 sera complexe. Les possibilités étonnantes de ce bus obligent à gérer des quantités de registres aux paramètres subtils pour implanter des protocoles puissants et complexes. Un développement sur ce bus est hors de portée du débutant mais se révèle passionnant pour les familiers des microcontrôleurs. Des bibliothèques et boîtes à outils de composants logiciels permettent de simplifier le développement. J'en reparlerai dans les pages microcontrôleurs.

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 FAQ

 Pourquoi le bus Ethernet ne s'est-il pas imposé en marine ?

Le bus Ethernet est implanté dans tous les systèmes informatiques et se décline en 10 et 100 Mbps (et 1 Gbps...) en filaire et plus en optique. Il est parfait pour ces fonctions mais n'est absolument pas adapté à l'automobile qui doit encaisser d'énormes parasites et des coupures et court-circuits partiels des lignes. Le CAN est conçu dans l'esprit de la sécurisation des données en milieu hostile. Le choix du NMEA 2000 en sur-couche du CAN est parfaitement judicieux.
Furuno a choisi un Ethernet en version propriétaire, ce choix est expliqué en page bus.

 

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 Conclusion

Pour le plaisancier lambda, il est inutile de rentrer dans les considérations pointues sur ces bus complexes, cette page donnera un vernis suffisant pour avoir la culture générale nécessaire et comprendre les principes de base. Il suffit d'avoir une vue générale, comprendre le pourquoi des deux paires et savoir que le choix du NMEA 2000 pour le bateau ou du CAN pour la voiture a été le meilleur possible.

Les constructeurs réagissent très lentement, l’implantation du NMEA 2000 est très laborieuse, mais c’est la voie incontournable pour l’équipement des bateaux modernes.
Il ne faudra donc plus investir dans du matériel électronique incompatible qui serait vite frappé d’obsolescence.

La douloureuse transition

Ce chapitre est commun aux pages NMEA 2000 et NMEA 183. 
Le problème est que nous sommes dans une phase pénible de transition, en l’an 2002 le NMEA 183 est terminé mais la relève n’est pas encore assurée par le NMEA 2000, les constructeurs jouant sur la frilosité des clients. La situation s’améliorera peu a peu, mais, en attendant, il est donc très difficile aujourd’hui de choisir un matériel qui sera valable demain.

Il existe un problème spécifique pour les GPS. Tous les anciens modèles étaient compatibles NMEA 138 et RS 232, le passage de l’un à l’autre étant simple par logiciel car les deux sont très proches. Ils pouvaient donc être exploités sur un bus NMEA 183, et sur un PC portable sans problème.
Aujourd’hui, ces deux standards ont disparu. Les fabricants sont dans une situation difficile. Il faut impérativement une prise USB pour les portables et les pda, mais cela est rigoureusement incompatible avec le bus NMEA 2000 ! Implanter les deux sorties coûte cher. Les modèles vendus en 2002 sont donc totalement bâtards et provisoires.
Il n’existe pas encore de pont USB <>NMEA 2000. Ce problème sera résolu sur la prochaine génération de GPS , le constructeur proposera alors un câble de transition USB et un autre NMEA 2000, en gérant les deux standards.

 Câble actif

Conversion RS-232 <> USB

 

 Liens

 Liens CAN

Les liens CAN sont en page : Liens électronique 

 Liens NMEA

Les liens sur l'ancien protocole NMEA 183 eu 2000 sont en page : Interfaçage GPS NMEA 183 <> RS 232 

L'autre bus informatique : Interfaçage USB 

Tracking Source haut de gamme HP 85645a

Publié dans Electronique lundi, 06 février 2017 05:17 0

"Tracking Source" haut de gamme HP 85645a

300 kHz ... 26.5 GHz

Introduction
Description
Signaux principaux
Résumé liaisons
Les problèmes 
Conclusion
Liens

Maj : 22/06/06

 Abstract :
HP 85645a is a modern and high performance tracking source covering from 300 kilohertz to 26.5 Gigahertz. 
It is not a generator but a sweeper with a great accuracy on power output. It must be used in conjunction with a spectrum analyzer.

 Résumé :
Le HP 85645a est un sweeper de tracking à large bande, moderne et à hautes performances, couvrant de 300 kilohertz à 26.5 Gigahertz. 
Ce n'est pas un générateur mais un sweeper avec une grande précision sur la puissance de sortie. Il doit être employé en association avec un analyseur de spectre.

 

 Introduction

Ce deuxième sweeper n’a rien en commun avec le Wiltron 6647a. Ce matériel est plus récent mais dans une toute autre gamme de prix que le précèdent.
La prise en main est complexe et ne ressemble en rien à celle du rustique Wiltron qui était très intuitive.
L’intérêt principal de ce matériel est d’être entièrement piloté par l’analyseur de spectre et de pouvoir fonctionner en tracking de précision jusqu’à 26 GHz.
Utilisé seul, il n’a guère d’intérêt, il ne sait que faire du CW, génération d’une raie à niveau très précis, mais à fréquence instable.
Il existe seulement une dizaine d’exemplaires de ce matériel en France, cette faible diffusion s’explique par le prix exorbitant demandé par HP, plus de 30 k$ HT…

 

 

 Description du "Tracking source HP 85645A"

 

Ce matériel est arrivé au labo fin 2005 et a provoqué une restructuration majeure, avec abandon du rack à roulettes…

 Matériel début 2006

Labo en 12/ 2005

Pour informations le schéma de la boucle du Yig Tuned Oscillator (YTO) 
Ces informations sont extraites du gros document "Service Guide HP 85644A/85645A Tracking Source (part no: 85645-90005) "

HP85645a
YTO 80 ko

Autopsie d'un autre HP 68645A en panne qui a été remis en service grâce au brillant dépannage de Jean-François, F1LVO.

Les quatre photos suivantes sont de F1LVO pendant un dépannage.

HP85645a

La diode en sortie du bloc fréquence basse est claquée empêchant le CAG, il n'y a plus de sortie en dessous de 3 GHz... 
La deuxième diode sert à la régulation thermique, elle a été récupérée pour remplacer celle cassée, une diode discrète a été montée à la place.

HP85645a

Vue d'ensemble très impressionnante.

HP85645a

Le 10 MHz, base de toutes les horloges internes, est bâclé, ce n’est qu’un simple quartz sur une porte ! Ce matériel est prévu pour s’accrocher à l’analyseur de spectre avec une référence commune externe 10 MHz (Rubidium ou GPS ) pour exploiter ses excellentes performances.

HP85645a

 

 Résumé des caractéristiques principales

Plage de fréquence de 300 kHz à 26.5 GHz.
Tracking sans trou avec une précision du dixième de dB.
Plus que 10 dBm sur toute la gamme....

C’est un formidable sweeper mais ce n’est pas un vrai générateur, il n’y a aucun verrouillage de la raie en mode CW.
De même, les générateurs ne fonctionnent pas en sweeper, en particulier à cause du temps très long de verrouillage de la PLL qui empêche tout suivi continu de la fréquence.
HP a bien séparé le marché pour que les deux gammes ne se concurrencent pas.
Il est toutefois très facile de verrouiller la raie avec une précision absolue, il suffit de se mettre en tracking, avec span zéro sur l’analyseur de spectre et de régler la fréquence centrale. L’inconvénient est toutefois de bloquer l’analyseur de spectre qui ne peut plus alors être utilisé pour la mesure.

Offset

Il est possible de régler un offset de fréquence très précis (au Hz près) pour observer un changement de fréquence ou une multiplication, mais le décalage est au maximum de +/- 700 MHz.

 

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 Signaux sur connecteurs face arrière

 

 J5 : SWP + Tune In

Entrée de la rampe de tension proportionelle à la fréquence pour permettre un tracking sans le moindre trou (J8 du HP8562a).
Il faut paramétrer sur l’analyseur la rampe à 0.5 V/GHz.
Voir sur la page du HP 8562a le problème contraignant posé par ce choix pour l’utilisation avec un analyseur de réseau.
Analyseur de spectre HP 8562 a 

 J4 : 10 MHz IN

Le 10 MHz externe (Rubidium) est détecté automatiquement et s'affiche sur le voyant de la face avant (REF EXt).

 J6 : Ext Alc

Pour régulation de puissance par une détection externe (genre HP 33334C)

 J? : Hi Sweep

Impulsion de départ du balayage, 0V, durée 32 mS. Pendant le balayage, + 5 V, plus les impulsion dédoublées de changement de bandes.
Les documents précisent « signal bidirectionnel ».

HP8562A

Rouge : Sortie J8 du HP8562a = 0.5 V/GHz pour 3 à 26 GHz
Bleue : Sortie HP85645a = Hi Sweep

 

 J8 : Sweep Tune out

Stricte recopie en sortie de l'entrée J5. Sweep tune in

 J? : Blanking In

Cette entrée permet d’éviter le flash systématique de l’alarme « unleveled » en retour de balayage. Le créneau est fourni par l'analyseur de spectre (Blanking out, J6 du HP8562a).

 J? : Sweep In

Entrée pour modulation AM logarithmique externe, 0 à 10 V, de 1 à 50 kHz.

 J3 : DB9 Aux

Cette prise n’est pas câblée ! Les documents indiquent qu’elle est réservée pour des extensions futures qui n’ont jamais été développées.

J2 : HP - IB

La page GPIB parle en détail des liaisons par le bus 

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 Signaux sur connecteurs face avant

 

 J1 : RF Output

Sortie 300 kHz à 26.5 GHz

 J2 : Lo Input

La référence provenant de l'analyseur de spectre entre 3 et 6 GHz, image transposée de la fréquence affichée.

 J3 : Lo Output

Simple sortie tamponnée de l'entrée J2. Permet de chaîner les appareils utilisant le "First Lo" (comme des mélangeurs externes).

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 Résumé interconnexions entre "Tracking source HP 85645A" et "Spectrum Analyzer HP 8562A"

 

Tracking Source
Spectrum Analyzer
/\/\/\/\/\/\ Face arrière /\/\/\/\/\/\
Sweep Tune in LO Sweep | 1 V/GHz , à paramètrer pour 0.5
Blanking Output Blanking Input
10 MHz In de la distribution Rubidium 10 MHz In de la distribution Rubidium
/\/\/\/\/\/\ Face avant /\/\/\/\/\/\
LO Input
First LO output

 

 HP 8562A    HP85645A

 HP 8562A    HP85645A

Cliquez pour une vue détaillée

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 Les problèmes

 

 Problèmes pour utilisation avec un analyseur de réseau

Voir sur la page du HP 8562a le premier problème contraignant posé par le choix de la rampe.
Analyseur de spectre HP 8562 a 

Le deuxième problème est lié à l’absence d’entrée de modulation
Beaucoup de matériels demandent une entrée modulée car les sondes détectent la BF afin de ne pas véhiculer un signal HF dans les câbles de mesure.
Un modulateur externe comme le HP33102 convient bien.

Le HP 182T (ou 180TR) avec tiroir HP 8755, pont HP 11666A, sonde HP 11664A, a besoin de moduler le signal.
Le Wiltron 560 fonctionne avec une porteuse pure, les trois détections se font en continu sur trois sondes à diodes.

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 Conclusion

 

 Avantages

 La plage de fréquences très étendue.
 La précision de la puissance annoncée qui en fait une remarquable référence, quelle que soit le niveau et la fréquence demandés.
 En mode verrouillé sur une référence externe 10 MHz, la précision absolue de la fréquence avec très faible jitter.
 En mode « locking source » le raccordement de bandes sans décalage. 
 Les multiples options des menus.

 Inconvénients

 L’absence de verrouillage de la fréquence qui ne permet pas le fonctionnement en générateur (voulu par HP pour diversifier les gammes).
 L’absence d’entrée modulation AM et FM.
 Le bruit du ventilateur, un problème classique chez HP.
 Le prix prohibitif.

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 Liens "HP 85645A Tracking Source"

Principe des générateurs de tracking 

Analyseur de spectre HP 8562 a 

Contactez-moi si vous avez un matériel identique pour échange d’informations…

 

Documentations disponibles "HP 85645A Tracking Source"

HP85644A / HP85645A User's Guide :
HP Part N°. 85645-90020 Jul 1992 . (Orginal HP binder, about 450 pages, 19*23 cm).
Ce document est indispensable car l'exploitation approfondie n'a rien d'intuitif...

HP85644A / HP85645A Tracking Source Service Guide : 
HP Part N°. 85645-90005. (about 400 pages A4, some A3), disponible.
Le contenu de ce document est très complexe et comprend le synoptique

 

Aucun lien externe à maintenir

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Tracking sur analyseur de spectre

Publié dans Electronique lundi, 06 février 2017 05:15 0

Tracking sur analyseur de spectre

Le tracking, mais c’est très simple !

Advantest 3463

Introduction
Prototype minimaliste
Avec amplificateur
Les "to do " 
Extensions 3-6 et 9-12 Ghz
Liens

Maj : 14/07/09

 Abstract :
First draft, "spectrum analyzer tracking project ", for an Advantest R3463/5.
In bonus, an extension to the 5 and 10 GHz ham bands. For the moment, it's only a very simple prototype. 
This is not possible with the HP range when the local oscillator output is unavailable. The other approach is to inject the oscillator with an external synchronous sweeper.

 Résumé :
Premier brouillon, “projet de tracking analyseur de spectre”, pour un Advantest R3463/5.
En prime, une extension aux bandes amateur 5 et 10 GHz. Pour le moment, ce n'est qu'un prototype très simple. 
Ce n'est pas possible avec la série HP quand la sortie de l’oscillateur est indisponible. L'autre approche est d'injecter l'oscillateur avec un sweeper synchrone externe.

 

 Condition liminaire

 

Sur tout analyseur de spectre, un tracking externe est réalisable.
La seule condition nécessaire et suffisante est que l'analyseur dispose sur son panneau arrière de la sortie "Oscillateur local".
C'est souvent une option, si elle n'est pas installée d'origine, il est délicat de l'adapter a posteriori. Sinon il faut changer d'analyseur ou d'accepter un bricolage interne hasardeux pour créer cette sortie.

L'oscillateur local génère une porteuse à niveau constant qui suit la fréquence du signal analysé avec un décalage égal à la fréquence intermédiaire. 
Tout comme il est impossible de se mettre à la fenêtre pour se voit passer dans la rue (principe d'ubiquité), il est impossible de voir ce signal sur son propre analyseur. 
Il faut vérifier sa sortie OL sur l'analyseur d'un copain pour s'assurer de son bon fonctionnement avant de se lancer dans l'aventure.

La sortie IF, présente sur la plupart des panneaux arrière des analyseurs, est une fréquence fixe, elle ne peut que servir à piloter un CAG ou attaquer un milliwatt mètre. 
Il est impossible de verrouiller une quelconque rampe externe sans référence, la précision fréquence de balayage du tracking doit être meilleure que la bande des filtres. 
Évidement un générateur de bruit indépendant fonctionne très bien sans demander une quelconque référence, mais il est très difficile d'avoir une plage de bruit étendue à niveau constant et assez élevé.

 

 

 Introduction

 

Un tracking est un outil formidable pour améliorer le confort d’utilisation d’un analyseur de spectre. Cela consiste en un générateur piloté suivant très exactement la fréquence en cours de l’analyseur de spectre, quelle que soit la vitesse du balayage. 
Un tiroir d’origine est vendu très cher, mais avec un peu d’astuce il est facile à réaliser.

Derrière l’analyseur, une prise sort l’oscillateur local, c’est la clef du problème !

Par exemple, sur mon Advantest R3463 
Sortie OL (3 dBm) 
3 GHz > sortie 7.231400 GHz 
0 GHz > sortie 4.231400 GHz (débute à 10 MHz)

Il a suffit de fouiner sur eBay pour dénicher un mélangeur neuf à prises SMA de chez Macom, le MM96c, pour 40 € rendu qui convient parfaitement. 
Il demande un oscillateur local puissant à 13 dBm, mais déjà, à 0 dBm, un signal faible mais acceptable est exploitable.

Pour les premiers essais, j’ai utilisé mon générateur comme oscillateur local à 13 dBm.

Le premier test consiste à renvoyer directement la sortie du mélangeur sur l’entrée de l’analyseur de spectre, et miracle un niveau de -14 dBm à +/- 3 dB apparaît entre 0 et 3 GHz, avec un pilote calé à la perfection.
Sur l'exemple au dessous, le niveau n'est que de -30 dBm car le générateur n'était pas parfaitement calé et le niveau réglé trop bas.
Je n’en espérai pas autant pour le premier essai, sans aucun filtre, sans ampli de sortie linéarisé en fonction de la fréquence par table et détecteur…

La photo montre le système en place

Sur l’entrée LO, local oscillateur, le pilote 4.2314 GHz de 13 dBm au travers d’un circulateur qui est vu avec un très bon ROS depuis le pilote. Cette valeur généreuse offre le meilleur rendement de mélange.

Sur l’entrée RF, le signal à transposer, provenant (4… à 7... GHz) du LO à 3dBm.

Sur la sortie IF, le signal mélangé de poursuite qui attaque le DUT (device under tests) relié à l’analyseur de spectre.

Tracking

Test basique

Pour vérifier, j’ai vite intercalé dans l’entrée divers filtres bien connus, testés auparavant à l’analyseur de réseau. 
Le résultat est exactement celui espéré et je retrouve parfaitement mes courbes (exemple chapitre suivant). 
Il est facile de voir l’influence de la précision de la fréquence du pilote en décalant le 4.2314 GHz, dès que l’écart dépasse la largeur du filtre, le signal s’écroule comme prévu.

 

 Cactéristiques nominales Magnum Microwave (Remec) MM96P-3

Il s’avère un peu meilleur que ce que donne le datasheet !

Les mélangeurs fonctionnent linéairement avec un le niveau du LO supérieur au niveau de IF de 6 à 10 dB.

RF : 6-18 GHz (en pratique il descend à 3 GHz !)
LO : 4-18 GHz (en pratique il descend aussi à 3 GHz !)
IF : DC-3.5 GHz (parfait pour l’application)
Conversion loss typically 6 dB (un peu plus en tirant sur les limites basses)
Typical LO power required is 14 dBm (peu de differences visibles de 5 à 15 dBm) 
3rd order intercept is +18 dBm 
1dB compression point is 8 dBm.

Tracking basique

L'installation minimaliste

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 Prototype minimaliste

Premier test en mode prototype, pilote mal réglé, puissance trop faible

 

Dans ce test minimaliste, le générateur a été utilisé comme pilote 4 GHz en oscillateur local. 
Il n'y a aucun passe-bas, aucune linéarisation de la courbe. Le résultat est déjà extrêmement satisfaisant.

La courbe verte de référence représente la sortie directe tracking. Réglages de base de l'analyseur, 0 à 3 GHz, 10 dB/carreau. Le marqueur sur 1.245 est à -30 dBm.
Non compensé le niveau remonte de 8 dB autour de 400 MHz et de 15 dB autour de 2.2 GHz.

La courbe jaune montre le filtre en cours d'évaluation centré sur 1.2 GHz en place, comme l’avait montré l'analyseur de réseau, perte quasi nulle sur la bande 1.2 GHz, largeur 100 MHz.

Pour étudier finement le pied dans le bruit, il faudrait un meilleur pilote et un amplificateur de 40 dB linéarisé comme prévu en version finale (cela descendra d'autant le plancher de bruit). Avec un pilote précis, il sera possible de serrer les filtres et d’augmenter encore plus la dynamique.

Idem, en soignant l'accord du pilote, niveau 10 dBm

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 Avec amplificateur

Avec amplificateur 30 dB non régulé et mauvais pilote

 

La première amélioration consiste à rajouter un amplificateur du commerce.
Ce modèle est un Keps communication (Je ne le trouve plus sur www.keps.it), 0.1 à 3.5 GHz, acheté 50 € à Seigy 2004.
Le rapport signal/bruit augmente considérablement et permet d’apprécier la réjection hors bande.
Ce span maximum n’a évidement été choisi que pour des raisons pédagogiques, pour étudier ce filtre, 500 MHz seraient suffisants. Sur la photo, vous voyez l’amplificateur à droite, inséré avant le filtre.

Tracking

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 Les "to do "

 

Les « to do » (toudou comme dans les publicités de lessives) ou en français ce qui reste à faire pour que ce prototype sommaire ressemble à quelque chose. 

Circulateur

Installer entre le pilote et l’entrée OL un circulateur sur 4.3 GHz, c'est fait sur le premier prototype.
Ce circulateur à ferrite Thomson a été trouvé dans une brocante, il est très commun. Référence : TBC 281
Les courbes sont en page analyseur de réseau scalaire page 2 

 Circulateur
circulateur

Pilote

Réaliser un vrai pilote indépendant 4.234 GHz, asservi sur le 10 MHz de référence de l’analyseur. 
L’analyseur possède une prise 10 MHz, programmable soit en sortie quand on travaille sur l’OCXO interne, ou en entrée si l’on utilise la référence sur l’oscillateur à Rubidium de haute précision de la station (il est à mieux que 10-11). 
Ce pilote sera réalisé par un bloc de récupération provenant du démontage d’un faisceau 6 GHz (émetteur de démontage France Télécom). Le pilote est triplé d’origine, il faut le modifier en doubleur. Il comprend d’origine une PLL à modifier pour remplacer l’enceinte à quartz par le 10 MHz.

Il est très difficile de faire un pilote à plus de 4 GHz si l’on ne dispose pas d’un autre analyseur montant haut en fréquence pour tester la pureté spectrale.
En travaillant à F/2 il est parfaitement possible de se contrôler avec les moyens du bord. Une fois le 2.115,5 GHz verrouillé sur le 10 MHz, il est simple de doubler et d’amplifier puis d’aller voir un copain mieux équipé pour regarder la pureté de son pilote à 10 dBm.

Il serait possible de récupérer facilement ce pilote dans l’analyseur, déjà parfaitement verrouillé sur le 10 MHz, mais je ne le fais pas pour préserver l’intégrité de ce matériel onéreux, un bricolage serait de très mauvais goût.
La solution sera donc le pilote indépendant, mais ce ne sera pas aussi simple…

Autre solution, utiliser l’oscillateur interne
Il existe peut être d’autres solutions à la synthèse directe du pilote. Un oscillateur de référence existe, sur 3810 MHz, il attaque le deuxième mixer vers la deuxième FI à 421.4 MHz. Cet oscillateur est évidement parfaitement accroché sur le 10 MHz.
Si l’on n’a pas peur de mettre les doigts dans le cambouis, il est très tentant de faire un petit prélèvement, à faible niveau et d’amplifier par deux MMIC, et de fabriquer à coté un 4231.4 – 3810 = 421.4 MHz, par une simple pll. Il est plus simple de fabriquer un 421 MHz qu’un 4231 MHz.
Reste évidement ensuite à utiliser un autre mélangeur en anneau et un filtre pour créer le pilote.

 

Passe bas 3 GHz

Installer un passe bas de sortie 3 GHz. La réalisation est délicate sur une plage de 10 MHz à 3 GHz… 
Il se trouve en récupération.

 

Amplificateur 10 dBm

Installer un amplificateur pour essayer d’atteindre 10 dBm plats sur toute la plage avant atténuateur programmable. 
Il faut compenser le gain de deux manières :

Par table, en utilisant :
Un fréquencemètre rustique prélevant son signal sur la sortie OL de 4 à 7 GHz et fournissant un mot de 10 bits image de la fréquence de travail 0 à 3 GHz. Un petit microcontrôleur fait cela facilement. 
Un convertisseur analogique numérique lit la tension du détecteur placé avant l’atténuateur en phase apprentissage pour charger la table. 
Un convertisseur numérique analogique contrôle le gain de l’amplificateur en fonction de la table et de la fréquence indépendamment du détecteur.

Par GAG : En exploitation, le détecteur affine la linéarisation de la courbe en manipulant aussi le gain.

Le cahier des charge fixe une écart maximal admissible entre 0 et 3 GHz de +/- 1.2 dB.

 

 Amplificateur saturé ou non ?

L’approche qui vient spontanément à l’idée dès que l’on observe une courbe de réponse irrégulière est de penser à saturer l'amplficateur de sortie. Cela donnerait effectivement très simplement une courbe plate, mais s’avèrerait désastreux car la saturation est génératrice d’harmoniques. De multiples raies de battement apparaîtraient, faussant totalement les mesures.
Il est donc indispensable de s’assurer que seule la raie fondamentale est présente en sortie du mélangeur.
Il est évident que cela ne peut pas se voir pas directement en mode tracking, la raie instantanée affichée étant la somme de tout le spectre, elle comprend la fondamentale espérée et toutes raies parasites de battement.
Pour cela, le système fonctionnant sur son pilote définitif, il suffit d’une manipulation très simple.
Débrancher la sortie FI et mesurer de 4 à 7 GHz (valeurs arrondies) la puissance de la raie, par exemple +3dBm.
Brancher provisoirement en entrée RF, à la place de la sortie FI, le générateur réglé à la même puissance et balayer doucement la plage 4 à 7 GHz en observant le résultat transposé sur l’analyseur.
On ne doit voir qu’une seule raie entre 0 et 3 GHz, les produits de battement liés à un mauvais passe-bas ou a à une saturation devant être les plus faibles possibles, au moins 30 dB en dessous du fondamental.
Si la raie est pure, le tracking est parfait, sinon on observera des artefacts ininterprétables.

 

 Devenir du prototype

Ce projet spécifique à l’Advantest n’évoluera plus, ce matériel ayant été remplacé par un HP 8595e.
Ce HP 8595e a été repris ensuite par F5FFN, Jean Pierre, qui a réalisé un excellent tracking « home made ».

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 Extension à 3-6 et 9-12 GHz (hors tracking)

 

Un analyseur 0-3 GHz moderne st un formidable outil pour la station. Un problème apparaît quand l’envie prend de s’essayer aux bandes 5.6 GHz et au 10 GHz, car l’on se retrouve totalement démuni. Il faut donc pousser l’outil dans ces bandes.
Une petite modification du générateur de tracking permet de réaliser cela. Il faut tout d’abord réaliser les deux pilotes sur 3 et 9 GHz.

Attention, nous ne parlons plus ici de tracking, mais de la réutilisation du matériel précèdent pour augmenter les bandes de l’analyseur.

Ce n’est qu’un bricolage, il y aura des raies parasites et la précision des mesures en amplitude de l’analyseur sera perdue, la dynamique sera très réduite, mais c’est un dépannage précieux si l’on n’a pas de vrai matériel pour explorer ces bandes.

Le plus astucieux est de réaliser un premier pilote primaire sur 1 ou 1.5 GHz, car il tombe en plein dans la bande basique de l’analyseur, nous disposons donc de tout le matériel nécessaire pour réaliser le pilote callé au Hertz près. Le Net propose de nombreuses réalisations de PLL verrouillées sur le 10 MHz.
Ce pilote primaire étant disponible, un multiplicateur avec amplificateur accordé permet de sortir les raies des pilotes secondaires à 15 dBm en 3 et 9 GHz. Une visite chez un copain mieux équipé permettra de vérifier la qualité du spectre. Nous avons alors réalisé le morceau le plus délicat du projet.

Les filtres passe bandes 0-3 et 9-12 GHz sont des classiques que l’on alignera à l’analyseur de réseau.

Le très bon mélangeur utilisé pour le tracking fonctionne tout aussi bien à 3, 4.2 et 9 GHz de LO !
Il suffit de débrancher les deux sma LO et RF pour passer de tracking en 3-6 ou 9-12 GHz.

 

 Résultats et limites des bandes étendues

Ce dispositif rustique permet de disposer de deux bandes supplémentaires, avec évidement une restriction de taille. Sur la bande basique, les mesures se font en absolu au Hz et au centième de dB absolu.
En bande transposée, la fréquence sera tout aussi précise, car le pilote est parfaitement calé, mais il n’en est pas de même pour la lecture de la puissance.
La perte de conversion liée au mélange est de l’ordre de la dizaine de dB et , mais elle n’est pas constante sur la plage. Il faudra évidement étalonner le dispositif grâce à un générateur de référence en fonction des fréquences et partiellement des puissances. Le plancher de bruit remontera et la table de conversion sera inévitable, mais ce n’est qu’une faible contrainte au vu de l’agrément ajouté.

Il est illusoire de penser réaliser un amplificateur à gain piloté pour essayer de linéariser la matrice de transfert, c’est hors de notre portée de modestes bricoleurs.

 

 Bandes étendues

Extension de bandes (sans tracking)

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 Matériels commerciaux

Cette modeste page ne présente qu’une réalisation très économique, qui n’a pas pour ambition de concurrencer ces excellents matériels professionnels qui n’ont pour défaut que leur prix. 
Ce petit bricolage a toutefois un excellent rapport qualité/prix et s’avère très pratique. +

 Générateurs de tracking simples, mono bande

Au catalogue Agilent/HP, nous trouvons les HP 85644A, 85645A, 85640A tracking generators, qui s’adaptent parfaitement aux familles 8560 et 70000 et permettent le tracking et l’analyse scalaire à 2.9, 6.5 ou 26.5 GHz suivant les modèles.

HP 85644A

HP 85644A Tracking basique de 0 à 2.9 GHz

 Générateurs de tracking multibandes haut de gamme

La solution adoptée par HP sur le HP85645A est très complexe, mais le résultat s'avère stupéfiant, la réponse en fréquence est plate de 300 kHz à 26.5 GHz, sans trou entre les bandes....

Dans son utilisation la plus simple, le tracking se pilote par l’analyseur de spectre, en fréquences et vitesse de balayage. La puissance se règle sur le tracking.
Deux interconnexions principales sont utilisées, en sortie de l’analyseur de spectre :
 Le first LO, image de la fréquence en cours d’analyse, par bandes de 3 GHz.
 Une tension proportionnelle à la fréquence qui permet d’identifier la bande en cours.

Relation entre le first LO et la fréquence en cours sur l'analyseur de spectre HP 8562A 

Fonctionnement du tracking source HP 85645a 

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 Liens tracking

Un tracking générique intéresssant : dkdinst.com

Les réalisations de John Miles, KE5FX thegleam.com/ke5fx

* Liens vérifiés le 14/07/09

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Analyse de réseau scalaire numérique

Publié dans Electronique lundi, 06 février 2017 05:13 0

Wiltron_561_68147

Analyse de réseau scalaire 18 GHz (page 3)

Wiltron 561 + Générateur Wiltron 68147A

Wiltron_561_68147

Introduction
Vérification pont 
Test détecteurs
Att prog 127 dB 
Circulateur à ferrite Thomson 4 GHz
Mes documents disponibles 
Liens

Maj : 16/06/09

 Abstract :
Continuation of introduction pages (to be read first)

 Résumé :
Suite des pages d'introduction (à lire en premier)

 Introduction

La première page décrit le principe des mesures scalaires, ces généralités ne seront pas reprises ici. 
Analyseur de réseau scalaire "page 1 "  évoque mes premières mesures effectuées avec le vieux sweeper HP 8620. 
. . . . . . . . . . . . . . . Scalar network analyzer "page 2 " 
évoque les mesures suivantes effectuées avec le Sweeper Wiltron 6647A (10 MHz-18.6 GHz) i  J'ai utilisé ce couple ancien HP182T + Wiltron 6647A jusqu'en 12/2006
Matériel remplacé par la solution plus récente qui dispose de marqueurs numériques très précis en fréquences et amplitudes, jusqu'en 12/2012, Wiltron 561 + Wiltron 68147A 
Matériel remplacé en 2013 par la solution vraiment moderne, tout en USB sur PC, une page devrait suivre.

Wiltron_561_68147

 Les limites du scalaire

L'analyseur scalaire est le point d’entrée « économique » pour la mesure de réseaux. Il utilise des détecteurs simples qui ne donnent que des informations d’amplitude pour caractériser les deux seuls paramètres mesurables du DUT (device under test), S21, le direct et S11, le réfléchi. 
Un analyseur vectoriel donne l’information capitale supplémentaire, la mesure de phase, il offre une dynamique plus grande et donne accès aux abaques de Smith et diagrammes polaires. 
Il est évident que l’analyseur vectoriel est l’outil idéal, mais il a pour seul défaut son prix élevé, les mesures vectorielles de 0 à 20 GHz ne sont pas à la portée de tous les amateurs. 
Le scalaire est l’analyseur de pauvre, mais il permet déjà des mesures pertinentes.

 

 Prise en main de ce matériel

Cet analyseur de réseau scalaire est performant mais plein de subtilités, et beaucoup moins évident qu’il n’y parait au premier abord.
Il faut beaucoup de pratique et un bon générateur pour en exploiter les possibilités et faire des mesures de qualité, un manque de réflexion entraîne des résultats farfelus. Pour mémoire :
S11 : coefficient de réflexion à l'entrée lorsque la sortie est adaptée ;
S12 : coefficient de transmission inverse lorsque l'entrée est adaptée ;
S21 : coefficient de transmission direct lorsque la sortie est adaptée ;
S22 : coefficient de réflexion à la sortie lorsque l'entrée est adaptée.


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 Vérification du pont réflectométrique

La première mesure indispensable consiste à tester le pont, coeur du système de mesure, sur les meilleures charges possibles. Les pics seront analysés avec des lignes à air afin de déterminer s'ils proviennent de défauts des charges ou du pont. Il faut prendre la moyenne de ces courbes, en éliminant ces pics liés aux charges imparfaites.

Matériel mis en jeu pour le test (kit APC7 en prêt de F1LVO)

Mesures 0-20 GHz

APC7

Interprétation de ces mesures

Ce test fondamental est fait entre 0 et 20 GHz avec trois charges de précision. Au préalable pont branché sur "open" puis sur "short", le 0 dB de référence est calé avec précision en haut de l'écran. 
Les relevés suivants sont faits avec une interface GPIB Sparkfun. 

Avec la meilleure des charges nous mesurons, un retour meilleur que -45 dB (ROS < 1.02) en dessous de 1.5 GHz. Le niveau du générateur est de + 15 dBm, il n'est pas possible de mesurer avec plus de précision, nous sommes dans le bruit
Vers 2.4 GHz, retour de-37 dB (ROS= 1.03).
Remontée progressive vers -32 dB (ROS = 1.05) au dessus de 8 GHz, cela devient médiocre. Ne pas tenir compte du pic à 13 GHz qui correspond au lambda/4 du boîtier de la charge APC7.

Le pont s'avère utilisable jusqu'aux 18 GHz annoncés par les spécifications, mais ce n'est pas un "Option 1", il n'est pas haute directivité !

 

Fréquence start
0.01
GHz
Fréquence stop
20.0
GHz
Fréquence centre
10
GHz
Span par carreau
2
GHz
S21 Direct / carreau
.
dB
S11 Réfléchi / carreau
5
dB
 

Pont réflectrométrique Wiltron 18 GHz (Prise N) 
SWR Autotester 560-97NF50

Pourquoi mesurer jusqu'à 20 GHz ?

Les ponts, sondes et autres matériels s’écroulent rapidement au-delà de 18 GHz, les mesures deviennent alors fantaisistes.
La limite de 20 GHz a simplement été choisie pour simplifier l’interpolation avec 2 GHz par carreau. 
La partie au-delà de 18 GHz (dernière colonne) est à ignorer.

 

Atténuation dans les des ponts réflectométriques

Tous les ponts et autotesteurs absorbent de la puissance, de l’ordre de 8 à 9 dB suivant la fréquence.
En sortie du pont, le niveau sera donc nettement plus faible qu’en sortie du générateur utilisé pour le balayage. Cette perte est importante, et posera parfois des problèmes pour des mesures avec des dispositifs à forte atténuation, il faut de la puissance pour sortir le signal du bruit.

 

Curiosité de mesure

En mode power, un détecteur indique après étalonnage, la puissance réelle en dBm du signal mesuré.
Avec un pont réflectométrique comportant un détecteur incorporé, la sortie ouverte ou fermée (open ou short), toute l’énergie est réfléchie vers le détecteur interne (ROS infini).
On s’attendrait donc à lire en mode « power » la puissance d’entrée exacte, il n’en est rien, la puissance lue est d’environ 12 dB en dessous de la puissance vraie.


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 ITest des détecteurs

Mesure de détecteurs (10 MHz à 18.5 GHz) en prises N, 560-7N50 sur l'autotester 560-97NF50.

Mesures 0-20 GHz

Pont_detecteurs

Premier détecteur N

Il avait d'origine un ROS très médiocre. Un démontage avec remise en place du blindage de la diode a considérablement amélioré son comportement.

Il ne fait pas mieux que 18 dB de retour (ROS=1.3), avec une mauvaise remontée du ROS à 1.4 sur 12.8 et 17 GHz .

Il faudra l'étalonner (par les 2 potentimètres intérieurs), il est à 0.5 dB au dessus du nominal (axe médian)

 

Fréquence start
0.01
GHz
Fréquence stop
20.0
GHz
Fréquence centre
10
GHz
Span par carreau
2
GHz
S21 Direct / carreau
1
dB
S11 Réfléchi / carreau
5
dB

 

Second détecteur N

 

Il n'a pas été démonté, l'étalonnage est bon.

Parfait en desssous de 4 GHz, il est bon à mieux que -30 dB.

De 0 à 11.4 GHz, il est parfait à mieux que -30 dB (ROS = 1.065), sauf une mauvaise remontée du ROS sur 7.6 GHz (ROS = 1.22).

Au dessus de 12 GHz, il se dégrade avec un médiocre -15 dB à 17 GHz (ROS = 1.43).

 


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 Atténuateur programmable 127 dB Weinschel

Les outils de mesure étant connus, il est maintenant possible de tester des composants.


Attention, ici la mesure n’est qu’entre 0 et 5 GHz. Cet atténuateur est inutilisable au dessus, le ROS devient lamentable et l’atténuation fantaisiste.

Weinschel

Le premier relevé montre la perte d’insertion à 0 dB (aucune des cellules binaires n'est activée).

La courbe supérieure correspond à la pente du générateur, câbles et raccords, en remplaçant l’atténuateur par un simple manchon SMA. Il faut retrancher cette courbe aux suivantes.

La perte d’insertion est de 3 dB vers 1.2 GHz et 5 dB vers 2.4 GHz

 

 

Les résonances à 2 et 4 GHz correspondent à la longueur interne de la ligne d’environ 12 cm (quart d’onde à 2 GHz).

Les résonances à 0.3 et 4.2 GHz sont non expliquées.

Fréquence start
0.01
GHz
Fréquence stop
5.0
GHz
Fréquence centre
2.5
GHz
Span par carreau
0.5
GHz
S21 Direct / carreau
5
dB
S11 Réfléchi / carreau
5
dB


Atténuateur programmable 127 dB Weinschel

 

 

Le deuxième relevé ne montre que les atténuations en enclenchant séparément chaque cellule.

Les courbes sont à 0, 1, 2, 4 ... dB

Il est inutile de montrer les autres courbes du réfléchi qui change pour toutes les combinaisons mais qui ne se dégrade jamais trop.

La combinaison de plusieurs cellules donne bien le résultat attendu.

 

Les cellules 1, 2 4, 8 et 16 dB sont très proches des valeurs attendues jusqu’à 3 GHz et peu influencées par la fréquence, mais s’écroulent ensuite.

Pour la cellule 32 dB, la situation se dégrade totalement en haut de bande (capacités parasites internes), avec un trou abyssal vers 3.7 GHz !

La cellule 64 dB n’est pas activée car non mesurable, le signal devient inférieur au bruit du détecteur.


Atténuateur programmable 127 dB Weinschel


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 Circulateur à ferrite Thomson 4 GHz

Ce circulateur à ferrite Thomson a été trouvé dans une brocante.
Référence : TBC 281

Vous trouverez dans la page précédente la même mesure faite avec mon ancien matériel, cela permet de voir l'amélioration des conditions.
Mesure sur  un circulateur 4 GHz 

Voir le détail des recopies d'écran en page GPIB 

 Circulateur
Fréquence start
0.01
GHz
Fréquence stop
5.0
GHz
Fréquence centre
2.5
GHz
Span par carreau
0.5
GHz
S21 Direct / carreau
5
dB
S11 Réfléchi / carreau
5
dB
561

Circulateur Thomson, sens passant

Fréquence start
0.01
GHz
Fréquence stop
5.0
GHz
Fréquence centre
2.5
GHz
Span par carreau
0.5
GHz
S21 Direct / carreau
5
dB
S11 Réfléchi / carreau
5
dB
561

Circulateur Thomson, sens bloquant

Interprétation de ces mesures

Ces mesures sont plus précises que les précédentes avec l'utilisation d'un pont à haute directivité et d'un générateur très propre.

La courbe passante montre un bon ROS inférieur à 1.22 (-20 dB) et une faible perte (moins de 1 dB) de 3.3 à 4.7 GHz.
La courbe inverse montre qu'il est exploitable sur la mème plage, et vraiment exceptionnel à la fréquence de 3.65 GHz.
Il est donc considéré comme utilisable de 3.3 à 4.7 GHz autrement dit à 4 (+/-) 0.7 GHz.

Remarque

Ce choix d’échelle fréquence est purement didactique, pour ajuster les GHz sur le graticule. La première mesure dégrossie, il est évident qu’il ne faut s’intéresser qu’à la seule partie utile de 3 à 5 GHz.


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 Mes documents disponibles

Ma documentation disponible / My documentation available :

Model 561 Scalar network analyzer _ Operation manual _ P/N 100410-0018 _ april 1988 
Model 561 Scalar network analyzer _ Maintenance manual _ P/N 100410-0020 _ april 1989 (big with A3 diagrams)

Also manual for Model 56 Scalar network analyzer _ Operation and Maintenance manual _ P/N 5600 OMM_ april 1989 (Full schematics)

DVD_Electronique_Manuels\Wiltron\Wiltron_56x_scalar
Taille

Titre

26.223.740

Wiltron_560A_op_maint.pdf

3.424.207

Wiltron_561_info.pdf

10.484.031

Wiltron_561_maintenance_A3.pdf

11.029.473

Wiltron_561_maintenance_A4.pdf

3.569.182

Wiltron_561_User_manual.pdf

Total 55 Mo


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 Liens analyseurs scalaires de réseau

Tous les liens spécifiques sont maintenus dans la page d'introduction : Analyseur de réseau scalaire "page 1 " 
Scalar network analyzer "page 2 " 

* Aucun lien externe à maintenir

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Analyse de réseau scalaire

Publié dans Electronique lundi, 06 février 2017 05:12 0

 HP 182T + HP 8755C

Analyse de réseau scalaire 18 GHz (page 1)

HP 8755C + chassis HP 182T + Sweeper HP 8620A / HP 8621C

 Sweeper HP 8620

Introduction
Description du HP182T / HP8755C
Montage des câbles de mesure
Tableau de ROS
Mesures simples sur le signal réfléchi
Mesure immédiate sur un câble
Mesure de qualité d’un câble inconnu 
Filtre à cavité 1.2 GHz un doigt
Antenne à cavité 2.3 GHz Guigoz
Météosat parabole grillage 1.7 GHz
Circulateur VHF
Circuits actifs : Préamplificateurs
Triplexeur Comet CFX 431 
Mesure sur antennes
Analyse de réseau sans analyseur 
Liens

Maj : 16/06/09

 Abstract :
A scalar network analyzer is the second major tool or the ham’s station measurement. This device opens the world of reflective signals and shows many artefacts on wires, connectors and antennas. It works only on the amplitudes and not on the phase. 
Next : Scalar network analyzer "page 2 " 

 Résumé :
Un analyseur de réseau scalaire est le deuxième outil majeur de la station amateur. Ce matériel ouvre le monde des signaux réfléchis et montre beaucoup d’artefacts sur les câbles, connecteurs et antennes. Il travaille seulement sur les amplitudes et pas sur la phase. 
Suite : Analyseur de réseau scalaire "page 2 " 

 

 Introduction

Après l’analyseur de spectre, le besoin de mesures complémentaires entraîne l’acquisition d’un analyseur de réseau.
Cela permet de caractériser très finement tous les composants, raccords, câbles, antennes et autres dispositifs que l’analyseur de spectre ne permettait pas d’apprécier aussi finement. Suite : analyseur de réseau scalaire "page 2 "  

J'ai utilisé le couple HP182T + Sweeper Wiltron 6647A (10 MHz-18.6 GHz)  jusqu'en 12/2006,
remplacé par une solution plus moderne, Wiltron 68147A + 561 (scalaire page 3) 

Les analyseurs de réseaux ne remplacent pas l’analyseur de spectre, matériel pivot de la mesure. Ce sont d’indispensables compléments, les plages d’utilisation de ces matériels ne se recouvrant que partiellement. Mesures à l'analyseur de spectre  et Mesures au laboratoire amateur 

 HP 182T + HP 8755C

Cette page n’a été possible que grâce à l’aide et à la compétence de Jean François, F1LVO, dont l’expérience m’a permis de prendre en main mon premier analyseur de spectre puis de réseau.

Il existe deux grandes familles d’analyseurs de réseau :

  F1LVO

 

L’analyseur scalaire

Dans cette page, nous parlerons du plus simple des analyseurs, l’analyseur scalaire qui ne travaille que sur les amplitudes. Il donne (seulement !) les courbes de réponses en amplitudes des signaux direct et réfléchi.
Il est possible pour un budget raisonnable, d’explorer depuis les basses fréquences jusqu’au 18 GHz.
C’est déjà un formidable outil, mais il existe encore mieux.

L’analyseur vectoriel

L’analyseur vectoriel est capable en plus de mesurer la réponse en phase des signaux du dispositif en tests. Il donne les fameux paramètres "S " (scattering parameters = paramètres de dispersion) qui s’affichent en diagrammes de Bode et abaques de Smith, ce qui offre une puissance d’investigation beaucoup plus grande.

Pour monter en fréquence en vectoriel, le budget sera bien plus lourd qu’en scalaire. L’analyseur vectoriel sera traité ultérieurement dans une autre page.

 

 

 Description de l'analyseur de réseau HP182T / HP8755C

L’analyseur de réseau scalaire se compose d’un chassis (scope mainframe) HP 182T, qui constitue la base du système. Il ne s’agit en fait que d’un simple rack d’affichage d’oscilloscope.
Sur cette base, plusieurs tiroirs peuvent se greffer, en particulier :

 La partie oscilloscope

 Arrière  HP 182T

 Le tiroir HP 8559A permet de réaliser un analyseur de spectre 0.1 à 26.5 GHz, à condition d'avoir les bonnes sondes, vendues bien plus chères que le tiroir nu.

Analyseur de spectre  HP 8759A

 Le tiroir HP 8755C permet de réaliser l'analyseur de réseau 0.1 à 18 GHz tel que décrit dans cette page.
La limitation à 18 GHz provient seulement du pont et de la sonde disponibles, l’analyseur ne traitant que le signal 28 kHz de modulation n’a aucune limitation en fréquence.

Ce matériel qui date des années 1970 ne vaut rien sans les deux éléments clefs du système, les sondes !

Il faut impérativement posséder ces deux bijoux fragiles, qui en bon état se négocient cher. Il n’est pas possible de bricoler des équivalents si l’on envisage de faire des mesures, il faut les originaux en état.

 Tiroir réseau HP 8755C

 

 Le pont réflectométrique HP 11666A est un coupleur directionnel possédant une détection sur la ligne du signal transmis, et une autre détection sur la ligne du signal d’entrée, afin de compenser dans de très grandes plages les inévitables écarts d’amplitude dus au sweeper externe. Ce pont VSWR prélève l'énergie de l'onde réfléchie, en entrée du dispositif étudié, qui sera traitée et affichée.

 Le détecteur HP 11664A se présente comme une charge 50 Ohms (attention, 20dBm max !). Il permet d'afficher l'onde transmise en sortie du dispositif étudié.

En branchant directement le détecteur sur le pont, les courbes de transmission sont très linéaires de 0 à 18 GHz avec un réfléchi nul grâce aux compensations internes.

C’est la phase d’étalonnage, avant l’introduction du matériel à tester (DUT = Device Under Test). 
Cet étalonnage est indispensable pour vérifier que le matériel fonctionne et caler les niveaux.

La dynamique des ces sondes est excellente, de l’ordre de 50 dB, grâce à la sonde de référence incorporée dans le pont, qui s’affranchit largement des fluctuations de niveau du signal d'entrée. 
Pour des niveaux trop faibles en entrée du détecteur, il y a une remontée rapide du bruit. Cela très visible sur la trace et facile à corriger, mais attention, le risque est grand de griller le matériel avec des niveaux hors tolérances pour les étourdis.

 Remarque sur le détecteur :

Ce détecteur présente une particularité. Il ne véhicule pas de HF vers le tiroir de mesure, mais seulement du 28 kHz et l’alimentation. Il existe des rallonges de quelques dizaines de mètres, avec deux prises DIN ordinaires, parfaites pour déporter le détecteur lors des mesures sur antennes. 
C’est un avantage de pouvoir travailler en câbles longs, mais la modulation présente un gros défaut.
Le spectre du signal est très large, cela limite la possibilité de travailler sur des sans très étroits pour travailler avec précision sur des flancs très raides.
L’équivalent chez Wiltron, le 560A travaille en porteuse pure.

 Sortie du modulateur

La sortie du modulateur fournit un signal à 28 kHz, 12 V cac à vide. L’impédance de sortie est de 70 ohms, donc avec une charge de 50 ohms, le signal est de 5 V crête à crête.

 Les sondes

Exemple d’un signal 10 MHz découpé par le 28 kHz de l’analyseur de réseau au travers d’un modulateur à diodes pin HP33102a. Sur modulation, première bande latérale à seulement 4db sous la porteuser, spectre très (beaucoup trop !) large. Un signal carré donne une très mauvaise solution, il faut rajouter un passe bas 28 kHz pour fournir un signal de modulation sinusoïdal.

 

Porteuse découpée

Signal carré, largeur inacceptable

 

Très faible modulation sinusoïdale pour réduire le spectre

 Le sweeper HP 8620A / HP 8621C

Pour faire fonctionner l’analyseur de réseau, il faut un générateur de signal externe (suivant la plage étudiée depuis 40 MHz jusqu’à 18 GHz), pour injecter le signal à l’entrée du pont réflectométrique. 
Cette haute à très haute fréquence doit être découpée en tout ou rien par du 28 kHz (carré, 6 V crète à crète fourni par l'analyseur de réseau) afin que les signaux détectés circulent facilement dans la chaîne de mesure. Il ne serait pas possible de traiter de petits signaux continus sans rajouter du bruit, la dynamique de mesure est très élevée, 50 dB représente un rapport de un à cent mille, c’est la résolution du dispositif.

J'ai commencé par un sweeper HP 8620A (même génération, les années 1970) avec des tiroirs HP 8621C. Il en existe de multiples modèles couvrant des plages très variées, jusqu’à 18 GHz. J'ai deux modèles :
 Le premier couvre deux bandes 0.1 à 2 GHz et 1.8 à 4 GHz. Cette coupure est assez pénible car beaucoup de mesures se font de 0 à 4 GHz, une seule plage étendue serait préférable. 
 Le deuxième couvre de 3.2 à 6.5 GHz.

Ce n’est pas du matériel moderne, mais il permet de débuter. La sortie de ce matériel capricieux est contrôlée sur l’analyseur de spectre. Un matériel synthétisé plus récent et plus stable, comme le HP 8350B ou un tiroir pour le Wiltron 610D, sera le bienvenu.

 Sweeper HP 8620

 

 Le passage en numérique

Habitué au matériel numérique, j’étais dérouté par cet ancêtre tout analogique, sans marqueurs ni textes sur l’écran, non programmable en HPIB...

Heureusement, il est possible de contourner le problème en utilisant les sorties arrières du HP 182T qui donnent deux superbes traces séparées, le direct et le réfléchi. Ces traces sont envoyées sur les sondes de l’oscilloscope numérique Tektronix qui reproduit à la perfection l’affichage analogique du HP 182T.

Après réglages les traces sont rigoureusement identiques sur les grilles des deux matériels.

Cela permet maintenant toutes les mesures, curseurs, repères, mémoires et la sortie directe d’images VGA sur le TDS 3012 ainsi que la recopie sur disquettes.

 Recopie numérique

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 Montage des câbles de mesure

Pour éclaircir les idées, voici comment se câblent des divers ensembles pour monter la mesure, il faut installer une douzaine de câbles pour les signaux :

   Sur le rack du HP 8755C le pont réflectomètrique (Réfléchi + Référence) et le détecteur.
 Le HP 8755C fournit le signal de découpage 28 KHz, envoyé sur l’entrée modulation du sweeper.
   Le sweeper fournit le signal balayé en fréquence et découpé (ainsi qu’un marqueur) via un splitter au pont réflectomètrique et à l’analyseur de spectre pour contrôle.
Nous avons ainsi les signaux HF principaux.

 Le sweeper fournit aussi le signal de blanking (entrée Z) pour effacer la trace de retour sur le HP182T.
L’oscilloscope numérique Tektronix TDS 3012 permettant de recopier l’affichage en numérique a besoin de trois signaux :
  La voie A est sur le direct, la voie B est sur le réfléchi (signaux disponibles sur le panneau arrière du HP 182T).
  La synchro sur la sortie du balayage triangulaire du sweeper, pris sur un Té BNC, ce signal servant aussi pour le balayage du HP182T.

 La manip montée

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 Valeur du ROS en fonction des pertes en dB

Ce petit tableau donne les valeurs du ROS en fonction des écarts en dB entre direct et réfléchi.

dB
ROS
***
dB
ROS
***
dB
ROS
***
dB
ROS
***
dB
ROS
0
inf
 
10
1.92
 
20
1.22
 
30
1.065
 
40
1.020
1
17.39
11
1.78
21
1.20
31
1.058
   
2
8.72
12
1.67
22
1.17
32
1.052
   
3
5.85
13
1.58
23
1.15
33
1.046
   
4
4.42
14
1.50
24
1.13
34
1.041
   
5
3.57
15
1.43
25
1.12
35
1.036
   
6
3.01
16
1.38
26
1.11
36
1.032
   
7
2.61
17
1.33
27
1.09
37
1.029
   
8
2.32
18
1.29
28
1.08
38
1.025
   
9
2.10
19
1.25
29
1.074
39
1.023
   

Au delà de -40 dB de retour, le ROS est négligeable et non mesurable !

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 Mesures simples sur le signal réfléchi

Pour ces premières mesures, nous n’observerons qu’une seule voie, sur le signal réfléchi. Le détecteur n’est pas utilisé ici.
Cette mesure est la seule possible sur des charges fictives. Elle permet de voir très simplement la fréquence raisonnable d’utilisation de chacune. Des surprises (souvent mauvaises) sont à prévoir…

Voici une collection de charges et les résultats obtenus sur la collection de charges suivantes :

Sur les quatre courbes suivantes, le 2.4 GHz correspond à la deuxième graduation.

Origine du réfléchi : Haut de l’écran / (pas de direct)

Il est évident que plus grand sera le réfléchi, plus faible sera le ROS et meilleur sera le dispositif testé.

 Diverses charges
Fréquence start 1.8 GHz
Fréquence stop 4.2 GHz
Fréquence centre 3.0 GHz
Span par carreau 300 MHz
S21 Direct / carreau / dB
S11 Réfléchi / carreau 5 dB

Charge SMA longue, médiocre

Elle est très médiocre, 53 dB avec des irrégularités entre 1.8 et 2.3 GHz , -12 dB à 3 GHz, -5.5 dB à 4.2 GHz.
Elle est acceptable en 1.2 GHz (non représenté ici) et peut être utilisée en 2.4 malgré la proximité des irrégularités.

 

Fréquence start 1.8 GHz
Fréquence stop 4.2 GHz
Fréquence centre 3.0 GHz
Span par carreau 300 MHz
S21 Direct / carreau / dB
S11 Réfléchi / carreau 5 dB

Charges SMA courtes

J'en ai testé quelques unes, inox ou dorées elles sont assez bonnes et régulières, -18 dB à 3 GHz, utilisables sans problème en 2.4 GHz, avec 21 dB de retour (ROS=1.2).

 

Fréquence start 1.8 GHz
Fréquence stop 4.2 GHz
Fréquence centre 3.0 GHz
Span par carreau 300 MHz
S21 Direct / carreau / dB
S11 Réfléchi / carreau 5 dB

Charges 12 W Radial 10 GHz

Les 10 GHz annoncés semblent optimistes, mais elles sont excellentes, avec -34.5 dB à 2.4 GHz.
J'en ai trois identiques, celle ci est la meilleure, elle est exactement à 50 ohms.
La moins bonne a 10 dB de moins et présente une résitance de 52 ohms, elle a problablement eu chaud.

 

Fréquence start 1.8 GHz
Fréquence stop 4.2 GHz
Fréquence centre 3.0 GHz
Span par carreau 300 MHz
S21 Direct / carreau / dB
S11 Réfléchi / carreau 5 dB

Charges carrées TRT

Elles sont parfaites en dessous de 4 GHz, mieux que -40 dB à 2.4 GHz (ROS=1.02 !).

 

Fréquence start 10 MHz
Fréquence stop 18.6 GHz
Fréquence centre 9.3 GHz
Span par carreau 186 MHz
S21 Direct / carreau / dB
S11 Réfléchi / carreau 5 dB

Charge de précision N Narda 370 BMN  .... 0 à 18 GHz !

Cette charge est d’excellente qualité, comme le montre la courbe constructeur. Le ROS est à 1.09 (-27 dB) vers 5.6, 11 et 14 GHz, et meilleur encore sur le reste de la bande.Ne pas tenir compte du bout de bande vers 18 GHz, c’est la limite du pont réflectomètrique.

 

Fréquence start 0 GHz
Fréquence stop 2.0 GHz
Fréquence centre 1.0 GHz
Span par carreau 200 MHz
S21 Direct / carreau / dB
S11 Réfléchi / carreau 5 dB

 Charge décamétrique en bande 0-2 GHz !

Et pour finir, juste pour rigoler, une bonne charge décamétrique. Le départ du balayage est à zéro, mais le générateur ne démarre qu’à 100 MHz, donc la plage utile est invisible, il ne faut pas chercher à interpréter le premier demi carreau…
D’autres mesures ont montré que cette charge est très correcte en dessous de 30 MHz. A 200 MHz, le retour est de -5dB, ROS = 3.5.
Le curieux pic à 1.3 GHz est la résonance de la cavité (diamètre 98 mm), le petit à la moitié de cette fréquence est un artefact du à l’impureté spectrale du sweeper, il n’existe pas en réalité.
Après 700 MHz, cette charge est vue comme un vrai court circuit.

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 Mesure immédiate sur un câble

 

Une seule mesure nous permet de connaître l’atténuation et le ROS d’un câble sur une plage de fréquences.

Fréquence start 2 GHz
Fréquence stop 4 GHz
Fréquence centre 3 GHz
Span par carreau 300 MHz
S21 Direct / carreau 0.25 dB
S11 Réfléchi / carreau 5 dB

Câble faible perte Axon 18 GHz

Ce câble de mesure était réputé excellent, la prise N d’origine est de qualité 18 GHz, mais la deuxième est assez médiocre (bricolage, le câble était coupé), cela produit un comportement décevant ! Il faudra remplacer cette prise bâtarde par une meilleure pour améliorer ce câble.

Interprétation de ces mesures

La courbe bleue montre le signal transmis, l’échelle est du quart de dB par carreau !
La courbe grise du haut montre la transmission sonde branchée directement sur le pont. Les artefacts et la pente proviennent de la mauvaise qualité spectrale du générateur. La ligne pointillée grise est la moyenne interpolée. De même, nous prendrons la courbe pointillée violette comme le résultat que nous aurions obtenu avec un générateur parfait. Ces mesures seront refaites avec un meilleur générateur. 
Nous mesurons une atténuation de 0.8 dB à 2 GHz et 1.6 dB à 4 GHz.
Les sondes étant compensées, nous n’avons pas à soustraire la courbe de référence.
L’atténuation est bien proportionnelle à la fréquence, le câble mesurant environ 2 m (voir chapitre suivant), nous en déduisons une atténuation de 4 dB au mètre à 10 GHz.

La courbe rouge montre le réfléchi, la courbe grise est la référence, sondes en direct. Les fortes ondulations demi ondes à 80 MHz, de 10 décibels d’amplitude, montrent que la prise bricolée est très médiocre et devra être changée. Pour deux prises parfaites, l’ondulation serait très faible.

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 Mesure de la qualité d’un câble inconnu

 

L’analyseur de réseau, outil magique, permet aussi de déterminer toutes les caractéristiques d’un câble inconnu, à condition que soient montées les bonnes prises pour pouvoir le raccorder.
Nous avons vu que la mesure des demi ondes permet de déterminer immédiatement le coefficient de vélocité de l’isolant. Plus il sera élevé, meilleur sera le câble. Dans le vide, le coefficient est évidement de 1.

Un isolant plein médiocre a un coefficient de vélocité de 0.66, un isolant mousse 0.8, et sur un gros coaxial aéré 0.875.

Il suffit de diviser la longueur physique du câble par la longueur de résonance de l’onde entière pour obtenir ce coefficient de vélocité. Mais un premier problème apparaît rapidement :

Comment mesurer précisément la longueur physique d’un câble ?

Si le câble est très long, il sera roulé pour les mesures électriques, mais déroulé à plat sur le sol et tendu pour la mesure au décamètre. Les contraintes mécaniques font que les longueurs du parcours électrique ne seront pas identiques dans ces deux situations, c’est une des causes qui entraînera une imprécision de la mesure de la longueur que l’on ne saura pas ramener sous le pourcent.
Mesurez d’abord les résonances du câble roulé en toron, puis mis à plat avec le plus grand rayon de courbure possible, vous verrez les écarts ! 
Sur un câble court, intervient une cause d’erreur supplémentaire :

Quel sera le plan de référence de la mesure de la longueur au niveau de la prise ?

Pour une prise N male droite, nous considèrerons qu’il s’agit du méplat en retrait de 6.35 mm par rapport à la pointe (variable suivant les modèles de prises !). Cela correspond au plan de contact, sur l’extrémité des lyres de la prise femelle. 
Attention cela ne s’applique que si la prise N est branchée, sinon, pour une prise ouverte, il faudra considérer le plan extérieur comme référence, la pointe faisant alors partie de la ligne active.

Cette variation est très gênante, c’est pour cela qu’ont été crées les prises APC7, elles sont hermaphrodites et présentent un plan de contact parfaitement défini qui permet de travailler au delà des 10 GHz.

 APC7

Pour des mesures précises sans APC7, il faudra n'utiliser qu'une seule prise N et couper le câble pour faire des règles de trois afin de bien maîtriser ce paramètre.
Nous savons mesurer la fréquence des demi ondes (c’est facile et précis au millième près), nous savons approximativement mesurer la longueur physique du câble (à quelques mm près), nous connaissons donc le coefficient de vélocité du câble et par comparaison aux références des constructeurs sa qualité.

 

Test sur un câble à faibles pertes

Fréquence start 0 MHz
Fréquence stop 200 MHz
Fréquence centre 100 MHz
Span par carreau 20 MHz
S21 Direct / carreau 5 dB
S11 Réfléchi / carreau 5 dB

Câble faible perte Axon 18 GHz, premières résonances

Pour cette mesure, le détecteur est relié au pont réflectométrique par un té à prise N.
La mesure est faite depuis le continu. Le premier carreau (0 à 20 MHz) n’est pas interprétable, ce générateur ne descend pas aussi bas.

Les pics seront d’autant plus grands que le câble sera meilleur en fréquences élevées (excellent ROS). Un câble médiocre a des résonances molles.

Déroulé pour la mesure

Le pic du signal transmis (bleu) est à lambda/4 et multiples impairs, environ 31, 93, 155 MHz.
Le signal réfléchi (rouge) est à lambda/2, et multiples, environ 62, 124, 186 MHz.
La mesure fine donne 122.9 MHz pour l'onde entière.

Nous obtenons la longueur d’onde de résonance du câble de c/F = 300/122.9 = 2.441 mètres.
La longueur physique du câble est mesurée à 1829 mm. Nous rajoutons 17.5 mm pour le parcours supplémentaire dans la branche du té, en faisant l’hypothèse simplificatrice que le coefficient de vélocité dans le té est le même que dans le câble (erreur infime par rapport aux autres tolérances). La longueur physique est de 1829 + 17.5 = 1846.5 mm.
Nous obtenons le cœfficient de vélocité de ce câble Axon Bleu de 1.8475 / 2.441 = 0.76

Sur un autre câble de classe équivalente, Radiall vert, lui aussi de diamètre 5 mm, nous trouvons : 
Onde entière 162.9 MHz, longueur physique 1.395 m
Longueur d'onde de résonance c/F = 300 / 162.9 = 1.842 m
Célérité = (1.395 + 0.0175) / 1.842 = 0.76

Ces résultats sont corrects, il s'agit de câbles 18 GHz à isolant mousse, le constructeur annonce bien 0.76 pour pour la série voisine Axowave à isolant Celloflon (l'incertitude sur les longueurs physiques liées aux connexions est de 1 %).

 

Mesure de l’impédance d’un câble inconnu

Nous avons évidement supposé que nous mesurions un câble de 50 ohms, avec ses prises parfaitement adaptées. C’est l’impédance caractéristique du dispositif de mesure.Si le câble est inconnu, il faut avant tout connaître ce paramètre trivial. L’analyseur de réseau donne instantanément la réponse, sur le seul examen du réfléchi.

Il suffit de charger l’extrémité libre du câble par un potentiomètre ajustable de 100 ohms, le plus petit possible et soudé au plus court sur une prise, en coupant tout ce qui est inutile.
La mesure se fera sur la gamme la plus basse du dispositif, du presque continu à quelques dizaines de mégahertz seulement (les lignes et détecteurs fonctionnent encore bien en dessous de la fréquence garantie par le constructeur).

Montage potentiomètre

En tournant le potentiomètre avec une tige isolante, entre ses butées, une forte variation montre sur l’écran le basculement de l’impédance réactive qui passe de selfique à capacitive. Cet état réactif pur, point d'équilibre des modes, est parfaitement visible.
Débranchez alors le câble coté ligne de mesure et mesurez avec un simple ohmmètre, vous lirez 50 ou 75 ou 100 ohms (pour une paire torsadée).

Cette méthode rustique est précise à l’ohm près.

Fréquence start 0 MHz
Fréquence stop 500 MHz
Fréquence centre 250 MHz
Span par carreau 25 MHz
S21 Direct / carreau / dB
S11 Réfléchi / carreau 5 dB

Petit câble sur potentiomètre

Ce câble testé est un cordon « Radiall » de 1 mètre en RG58, à prises bnc moulées.
La courbe rouge montre l’accord à l’impédance exacte, le potentiomètre étant réglé sur 48.7 ohms.
Les deux traces grises des mémoires correspondent à un décalage de + et – 10 ohms par rapport à l'équilibre.
La mesure a été faite du continu à 500 MHz pour montrer que les fréquences hautes n’ont aucun intérêt ici, seul le premier carreau est significatif.
En pratique la fréquence supérieure de travail ne sera que de 50 MHz.

Plus le câble est long, plus l’accord est flou, il faudra chercher la courbe la plus plate possible pour le maximum de retour.

Bien évidement, cette petite méthode ne fonctionne qu’avec de simples câbles, ne comptez pas mesurer l’impédance d’une antenne ainsi, il faut un analyseur de réseau vectoriel pour cela !

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 Mesure sur un filtre à cavité 1.2 GHz , un seul doigt

 Matériel en test

Montage du filtre, version 1, entre le pont réflectomètrique et le détecteur

 

Fréquence start 1.2 GHz
Fréquence stop 1.4 GHz
Fréquence centre 1.3 GHz
Span par carreau 20 MHz
S21 Direct / carreau 5 dB
S11 Réfléchi / carreau 5 dB

Origine du réfléchi : Haut de l’écran / Origine du direct : Bas de l’écran

Premier réglage, détecteur et sondes débranchés

Voici les trois étapes de la mesure pour étalonner les traces. 
Ce premier réglage permet de caler la trace directe en bas, la réfléchie en haut.

 

 

Fréquence start 1.2 GHz
Fréquence stop 1.4 GHz
Fréquence centre 1.3 GHz
Span par carreau 20 MHz
S21 Direct / carreau 5 dB
S11 Réfléchi / carreau 5 dB

Deuxième réglage, détecteur et sondes branchés directement

Ce deuxième réglage permet de caler la référence de la trace directe en bleu (qui est remonté de 23.5 dB.
La position de la trace trace réfléchie rouge (qui est descendue de 25 dB) n'a pas d'importance, elle ne dépend que de la qualité du détecteur.

Par la suite, la plupart du temps, nous calerons les deux traces en haut de l’écran ce qui simplifiera les interprétions.

 

 

Fréquence start 1.2 GHz
Fréquence stop 1.4 GHz
Fréquence centre 1.3 GHz
Span par carreau 20 MHz
S21 Direct / carreau 5 dB
S11 Réfléchi / carreau 5 dB

Origine du réfléchi : Haut de l’écran / Origine du direct : Marqueur pointillé

Mesure finale, filtre version 1, branché entre détecteur et sonde

Cette troisième étape est la mesure proprement dite. 
Le réglage de la vis déplace la fréquence d'accord (ici sur 1.318 GHz) sur une très grande plage.

Sur le signal direct, nous mesurons la perte d'insertion qui est de 1 dB à l'accord (la référence est en pointillé) et de 15 dB à +/- 100 MHz.
Sur le signal réfléchi, nous mesurons le creux d'accord qui n'est que de 12 dB.

Ce filtre s'avère très médiocre, la vis galvanisée n'autorise pas un Q acceptable. Il faudra améliorer ce matériel...
La bande passante de -3 dB de seulement 20 MHz sur le direct (mesuré en serrant les fréquences).

 

Fréquence start 1.195 GHz
Fréquence stop 1.395 GHz
Fréquence centre 1.295 GHz
Span par carreau 20 MHz
S21 Direct / carreau 5 dB
S11 Réfléchi / carreau 5 dB

Mesure finale, filtre version 2

La première version de filtre étant médiocre, je l’ai refait en remplaçant la vis de 6 mm par un tube de cuivre 6*8, manchonné et repercé pour recevoir cette même vis en interne (Je sais, une vis laiton serait préférable, mais je n'en ai pas...). Réglage fini, elle ne dépasse que de quelques millimètres à l’accord.
Les boucles ont été rallongées et resserrées, puis pliées pour limiter le couplage avec l’axe central beaucoup plus gros.
Une prise N femelle a été remplacée par une N male (simplement pour éliminer un raccord NM/NM, sans effet sur le résultat).
1.2 GHz, version 2

Il faut remarquer que la longueur de la ligne lambda/4 à l’accord est de 53.5 mm ce qui correspond à une fréquence de 1.402 GHz et non les 1.295 mesurés !
Il y a donc allongement de 8 %, explicable par le gros diamètre de la ligne impliquant un parcours plus long de la pointe à la base.
Pour cette fréquence nous aurions pensé trouver 57.9 mm, c’est bien la longueur physique mesurée, plus 4 mm de rayon et quelques dixièmes du chanfrein de la soudure de la base. Une ligne plus fine serait plus longue.

Le gain est très appréciable en réfléchi, le creux passe de 12 à 26 dB, soit un ROS de 1.67 à 1.11. 
Mais, la perte d’insertion reste identique et le filtre ne reste 5 dB à +/- 10 MHz, bien que curieusement la forme ait changée, il passe de 10 à 20 dB à +/- 100 MHz.

Cette « version 2 améliorée » n’est donc pas un franc succès, le diamètre de la ligne centrale est trop important, un tube plus fin resserrerait la bande.

Malgré ces performances réduites, ce filtre améliore les images en TVA, totalement massacrées par un nouveau radar qui nous a détruit tout le réseau sud en 23 cm. Un futur filtre à trois doigts sera bien plus performant, ce modèle est trop serré, il élimine la couleur.

 

 Filtre à ligne

Nous avons vu (chapitre sur les câbles) qu’un coaxial ouvert en lambda /2 ou fermé en lambda/4 est un excellent filtre. Il suffit d’un té et d’un bout de coaxial de qualité.
Cela est toutefois peu exploitable car il constitue un passe fréquence trop serré qui ne laissera pas passer un signal modulé. Il peut servir à isoler parfaitement une raie pure (et ses harmoniques impairs), mais il est tellement serré qu’il faudra réguler le coaxial en température.

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 Antenne à cavité 2.3 GHz, boîte Guigoz

Cette antenne cavité est réalisée à partir d’une vieille boîte aluminium de lait en poudre, Guigoz, de diamètre 85 mm et de profondeur 155 mm. Ces dimensions sont acceptables pour la bande 13 cm. Ces boîtes aluminium sont malheureusement rares, les nouveaux emballages en fer blanc s’oxydent et sont moins intéressants.

Il suffit d’installer une prise et un brin rayonnant pour réaliser une bonne cavité. F1LVO a mesuré un gain de 6.5 dB par rapport au dipôle.

Guigoz  2.3 GHz
Fréquence start 1.8 GHz
Fréquence stop 4.2 GHz
Fréquence centre 3 GHz
Span par carreau 240 MHz
S21 Direct / carreau / dB
S11 Réfléchi / carreau 5 dB

Antenne à cavité Guigoz 2.3 GHz

Cette antenne est calée sur 2.363 GHz, avec un creux de 25 dB réfléchi, ROS 1.12.
Cette courbe est très caractéristique de ce type de cavités, avec une résonance secondaire à 3.1 GHz. La petite languette soudée est destinée à rattraper une petite imprécision de perçage. Elle peut être utilisée directement sur des signaux forts ou comme source pour éclairer une parabole. Je ne dispose pas pour le moment d'une antenne de référence étalonnée, la courbe de transmission ne viendra que plus tard.

Calculs et valeurs

Le brin cuivre est de diamètre 3 mm. La littérature indique qu’il faut le tailler à Lo/4 (Lire « L » = lambda).

 Lo est la longueur d’onde dans l’air c/F
 Lc est la longueur d’onde de la fréquence de coupure du tube qui ne dépend que du diamètre : Lc = 1,706 x D
 Lg est la longueur d’onde stationnaire dans le tube, fonction de Lo et Lc : Lg = 1 / SQR((1/Lo) 2 - (1/Lc) 2 )

La distance du fond est de Lg/4 pour une profondeur optimale de boîte de 3 *Lg/4.

Nous trouvons :
Lc= 1.706 * 85 = 145 mm
Lo = 300/ 2.363 = 127 mm (Lo/4 =31.7 mm)
Lg = 262.74 (Lg/4 = 65.7 mm et 3*Lg/4 = 197 mm)

Nous vérifions bien sur la courbe la limite en fréquence basse de cette cavité. Elle correspond à 300/Lg, = 300/145 = 2.07 GHz, c’est bien le point à -3 dB que nous trouvons sur la première graduation qui correspond à 2.04 GHz.

Il faut se rappeler les petites formules approchées permettant d’estimer rapidement les fréquences limites pour une cavité de diamètre donné.
Fréquence maximale en GHz = 229 / diamètre en mm
Fréquence minimale en GHz = 171 / diamètre en mm
Ce sont des limites approximatives dont il ne fait pas trop s’approcher pour travailler dans un mode stable.

Pour notre tube de 85 mm :
Fréquence maximale = 229 / 85 = 2.7 GHz
Fréquence minimale = 171 / 85 = 2 GHz
Elle est donc bien centrée sur nos fréquences de 2.4 GHz.

La boîte étant trop courte, il a fallu utiliser un autre mode de résonance secondaire  :
Le brin est raccourci d’un facteur de 0.82 (à 26 mm)
La distance au fond est très réduite d’un facteur de 0.53 (à 35 mm)
La boite est trop courte d’un facteur de 0.79 (à 155 mm)

D’autres essais seront faits sur les dimensions théoriques avec un tube long.

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 Antenne Météosat parabole grillage 1.7 GHz

Cette antenne, vendue pour du 1691 MHz (Comelec, gain annoncé 24 dB) avait un comportement curieux. A l’usage sur Météosat elle s’était avérée très médiocre et son remplacement par une parabole circulaire pleine de 90 éclairée par cavité avait amené un gain considérable.
Je n’avais pas à l’époque les moyens de mesure et elle a dormi 10 ans à la cave.

 Grillage 1.7 GHz
Fréquence start 1.0 GHz
Fréquence stop 2.0 GHz
Fréquence centre 1.5 GHz
Span par carreau 100 MHz
S21 Direct / carreau / dB
S11 Réfléchi / carreau 5 dB

Antenne Météosat parabole grillage 1.7 GHz

J’ai fait une première mesure sans monter le bras rayonnant dans la parabole, et à ma grande surprise il n’y avait qu’un accord très faible à -15 dB vers 1.7 GHz, avec deux accords parasites très forts de -30 dB à 1.54 et 1.8. GHz.
Pour essayer de comprendre, j’ai refait la mesure bras en place, cela donne la courbe du dessus avec un accord fort apparaissant décalé sur 1.737 GHz à -23 dB (les deux accords parasites ne changent pas avec ou sans parabole).

Il est facile d’expliquer la médiocrité de cette antenne. Une autopsie a permis de chiffrer les causes multiples des pertes et expliquer ces résonances parasites.

D'origine, elle n’est pas accordée sur la bonne fréquence, à 1.691 GHz.
E
lle a un retour de seulement -6 dB et un ROS minable de 3 !,

 Le petit câble d’origine RG58U est médiocre à 1.7 GHz.
 Le stub en câble 11 mm, 75 ohms n’est soudé que par quelques brins, à la limite de la rupture de contact dans le manchon PVC rempli de joint silicone.
 Le positionnement du réflecteur n’est pas optimisé par rapport au dipôle, un ajustement de quelques mm améliore nettement la résonance (il faut aussi décaler le bras pour retrouver le point focal).
 Le plastique noir du capot de protection est absorbant et augmente le ROS (mais, seul point positif, il est étanche d’origine !).
 Les mailles font 15*40 mm. La longueur d’onde est de 18 cm, la théorie nous dit qu’un grillage doit avoir un pas maximum de lambda/10. Cela passe juste sur la polarisation normale, mais pas du tout dans l’autre sens, c’est une passoire à ondes.
Le réflecteur n’est donc pas utilisable en 13 cm, il sera médiocre sur 23 cm. C’est dommage car ces grillages se comportent très bien au Mistral, une parabole pleine et intenable sur un rotor.

En reprenant tous les éléments, avec beaucoup d’efforts, on peut ramener les trois raies sur la fréquence souhaitée et réussir à faire marcher cette antenne, mais d’origine elle est totalement inutilisable.

Dipole 1.7 GHz

 

Dipole 1.7 GHz

 

 Stub

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 Circulateur VHF

Ce gros circulateur VHF Thomson BB4103, à trois prises N f, se trouve dans les brocantes. Il possède une plage utile de 402 à 543 MHz, c’est parfait pour notre bande UHF .

Dans le sens direct il offre un très bon retour vers -22 dB et une perte d’insertion faible de 0.6 dB.

Dans le sens inverse l’isolation est excellente à -45 dB (attention échelle changée).

Ce matériel est très utile pour coupler des émetteurs sans influence mutuelle et en présentant un bon ROS inférieur à 1.2. Il est à remarquer que curieusement les courbes du réfléchi sont identiques dans les deux sens, ce qui est très rare pour un matériel dissymétrique.

L’autre petit circulateur en SMA qui figure sur la photo est centré sur 3.6 GHz et ne couvre pas nos bandes.

Circulateurs

Fréquence start 0 GHz
Fréquence stop 1 GHz
Fréquence centre .5 GHz
Span par carreau .1 MHz
S21 Direct / carreau 5 dB
S11 Réfléchi / carreau 5 dB

Fréquence start 0 GHz
Fréquence stop 1 GHz
Fréquence centre .5 GHz
Span par carreau .1 MHz
S21 Direct / carreau 10 dB
S11 Réfléchi / carreau 5 dB

Circulateur VHF Thomson

Les marqueurs sont sur 402 et 543 MHz.

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 Triplexeur Comet CFX 431

Ces mesures sont faites sur un triplexeur du commerce Comet CFX 431, destiné à utiliser une antenne tribande vers trois tranceivers. L’entrée commune « antenne » est attaquée par le signal. Il est assez inquiétant de constater que l’entrée commune est en PL259, ce qui n’est pas un bon présage pour les mesures en SHF. Le détecteur est sur la sortie considérée, les deux autres sorties sont chargées sur 50 Ohms.

 Triplexeur

Une autre série de mesure en bande étroite et à 1 dB/carreau (non figurée) a permis de calculer perte et réfléchi au centre de chaque bande amateur.

Les portées de la tôle de fond ont été débarrassées de la peinture et une vis a été rajoutée sur la cloison pour améliorer les contacts déplorables.

 Triplexeur

Vous constaterez sur les trois courbes (avant réglages) que le centrage n’est pas optimal sur les bandes amateurs, c’est normal, la réduction des coûts de production interdit un réglage unitaire. Les techniciens soigneux réajusteront ces accords approximatifs.

Pour les trois bandes, origine du réfléchi & direct : Haut de l’écran.

 

 

 Sortie VHF

Fréquence start 0.0 GHz
Fréquence stop 2.0 GHz
Fréquence centre 1 GHz
Span par carreau 200 MHz
S21 Direct / carreau 5 dB
S11 Réfléchi / carreau 5 dB

Triplexeur en bande VHF

Ne tenez pas compte de la remontée du plancher de bruit (en direct) hors bande de 7 dB sur les trois courbes après réglage, ce n’est qu'un artefact produit par un niveau plus faible en sortie du générateur.

Première courbe, réglages d’origine

En bande VHF , l'accord est sur 138 MHz au lieu des 145 MHz
Sur la bande amateur VHF, la perte d'insertion est faible à 0,3 dB, avec un réfléchi de -20 dB à 144 MHz (ROS = 1.22) et -25 dB à 146 MHz (ROS = 1.12). Le flanc remonte très vite. 
Point très positif, la fréquence de coupure haute est vers 291 MHz, la séparation des bandes UHF et SHF est exceptionnellement bonne, à mieux que 40 dB.
Il faut retoucher cet accord !

Deuxième courbe, après alignement

La trituration des selfs n’a pas été suffisante en VHF, il a fallu rajouter deux condensateurs.
Sur la courbe après réglages, le centrage est bon maintenant, (marqueurs à 144 et 146 MHz), avec un retour de -22 dB. L’amélioration est sensible, la perte en direct est tombée à 0.25 dB.

 

 

 Sortie UHF

Fréquence start 0.0 GHz
Fréquence stop 2.0 GHz
Fréquence centre 1 GHz
Span par carreau 200 MHz
S21 Direct / carreau 5 dB
S11 Réfléchi / carreau 5 dB

Triplexeur en bande UHF

Première courbe, réglages d’origine

En bande UHF , l'accord est sur 471 MHz au lieu des 435 MHz
Sur la bande amateur UHF , la perte d'insertion est faible à 0,5 dB, avec un réfléchi moyen de 23 dB à 435 MHz (ROS = 1.15). Le flanc descend très vite. 
Point positif, la fréquence de coupure haute est vers 765 MHz, la séparation de la SHF est exceptionnellement bonne, à mieux que 40 dB.
La fréquence de coupure basse est de 260 MHz, la séparation de la VHF est mauvaise à 32 dB.
Il faut retoucher cet accord !

Deuxième courbe, après alignement

La trituration des selfs n’a pas été suffisante en UHF , il a fallu rajouter un condensateur.
Sur la courbe après réglages, le centrage est bon (marqueurs à 430 et 440 MHz), mais avec un retour de seulement -13 dB (c’est pire !). L’amélioration ne joue que sur le recentrage de la bande et la perte en direct qui est tombée à 0.6 dB.

 

 

 Sortie SHF

Fréquence start 0.0 GHz
Fréquence stop 2.0 GHz
Fréquence centre 1 GHz
Span par carreau 200 MHz
S21 Direct / carreau 5 dB
S11 Réfléchi / carreau 5 dB

Triplexeur en bande SHF

Première courbe, réglages d’origine

En bande SHF, l'accord est sur 1535 MHz au lieu des 1250 MHz !
Sur la bande amateur SHF, la perte d'insertion est pénalisante à 2 dB, avec un réfléchi très médiocre de -7dB à 1250 MHz (ROS = 2.6 !).. 
La fréquence de coupure basse est de 725 MHz, la séparation des UHF et VHF est médiocre à 37 dB.
Il faut absolument retoucher cet accord catastrophique !

Deuxième courbe, après alignement

La trituration de la self et le réglage des cinq condensateurs n’a pas été suffisante en SHF, il a fallu refaire la ligne en clinquant du pont.
Sur la courbe après réglages, le centrage est maintenant parfait sur 1250 MHz, avec un bon retour -24 dBLa perte en direct a beaucoup diminué à 0.9 dB.

 

 

 Résumé des trois bandes

Ce triplexeur n'est pas très bon d’origine, il demande impérativement un ajustement soigneux, en particulier pour les SHF où les dB se perdent très vite, dans les raccords et les câbles médiocres.

 

 Optimisation du triplexeur

Une fois le problème constaté, il a fallu ajuster le matériel sur les bonnes plages (deuxièmes courbes). Cela s’est avéré très délicat car le réglage se fait seulement en « triturant » les selfs en VHF et UHF . En SHF le réglage se fait par cinq condensateurs ajustables. Il y a une influence considérable du couvercle, en tôle mauvaise conductrice de HF et très mal mise à la masse. En serrant les vis, toutes les courbes glissent et il y a un effet de main important. Une fois le fond ouvert il est très problématique d’imaginer l’influence qu’aura la retouche après remontage. Il faut gratter la peinture sur la portée, rajouter une vis et percer la tôle pour les réglages critiques.

Il est très rapide de le dérégler encore plus, mais très délicat de l’améliorer…

J’ai fait les mesures d’autres duplexeurs ( VHF + UHF seulement), ils sont tous décalés et s’avèrent très pénibles à réaligner, il faut refaire les selfs et mettre de meilleurs condensateurs.

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 Mesures sur circuits actifs : Préamplificateurs

Ce type de mesures est très spécial. On ne s’intéresse absolument pas au réfléchi, car tous les préamplificateurs ont un ROS abominable en entrée, cela est admis, il est dont inutile de s’en angoisser !
Le principe est donc d’envoyer assez de signal pour ne pas rentrer dans le bruit de la sonde de référence et avoir une bonne dynamique sur la plage d’utilisation.

Attention il ne faut pas dépasser les 15 dBm sous peine de griller le pont. Il est évident que ce niveau n’est pas compatible avec l’entrée du préamplificateur en test, il faudra donc installer des atténuateurs entre le pont et l’entrée du préamplificateur. C’est une mesure subtile.
Pour un amplificateur, il faudrait ajouter des atténuateurs en sortie.

Soyez très prudents pour ce genre de montages, une erreur serait fatale pour les sondes.

L’analyseur de réseau scalaire dans cette manipulation particulière, du fait que l’on n’utilise pas ici le réfléchi, n’offre que peu d’intérêt et ne fait pas mieux qu’un analyseur de spectre avec tracking.

Il ne faut pas oublier que pour un préamplificateur, le gain, valeur triviale à mesurer, est bien moins important que le bruit, dont la mesure demande de plus gros moyens. Il est facile de faire du gain mais difficile de réduire le bruit.

à suivre...

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 Mesure sur les antennes

Les mesures sur les antennes sont les plus difficiles que l’on puisse imaginer. Il faut d’un coté monter l’antenne à tester, de l’autre une antenne de référence compatible avec la bande étudiée.

Nous développerons prochainement un chapitre sur les moyens amateurs pour chatouiller les antennes. Il existe de multiples pièges, l’interprétation des résultats sera très complexe.

Nous avons commencé avec F1LVO à monter un site de mesure, les résultats sont excellents, nous retrouvons les valeurs espérées à la fraction de dB près grâce à des antennes de référence calibrées, mais seulement dans la direction principale.
Il reste une étape très difficile à franchir, le relevé des lobes de rayonnement qui impliquerait des rotations en champ libre sans échos que nous ne savons pas encore faire.

 

 Principes de base de la mesure sur antennes

La distance pour les mesures en champs proches

Les antennes doivent être éloignées d'au minimum de 10 lambdas pour espérer des résultats réalistes. Pour des problèmes pratiques de câbles, il est difficile d’espérer éloigner les deux bases d’un grand nombre de mètres.
Pour du 1.3 GHz (longueur d’onde 23 cm) et au delà, cela est facile. 
En UHF ( 70 cm), il ne sera pas facile d’espérer quelques dizaines des lambdas, les analyseurs seront donc peu exploitables pour ces basses fréquences.

 

Les échos

Nous supposons que l’amateur n’a pas de chambre anechoïde, il faudra donc faire avec les moyens du bord, dans le jardin. La mesure n’est significative que si les antennes sont éloignées de toutes réflexions, du sol, des murs…
C’est le très gros problème. Nos antennes ont des lobes parasites qui produisent des réflexions sur tous les obstacles environnants et perturberont beaucoup les résultats.
En pratique nous monterons les aériens sur des trépieds à 2 m du sol en essayant de s’éloigner des gros obstacles et en tirant de l’émetteur vers le récepteur dans une direction libre et il faudra faire avec.
L’antenne d’émission est toujours fixe, pointée sur l’antenne de réception qui tourne sur une couronne graduée.
Les relevés se font en deux temps, en permutant les antennes.

 

Mesures en champs lointains

Une méthode complémentaire consiste à utiliser des antennes éloignées. C’est une bonne méthode pour mesurer les lobes et les gains. Nous n’utiliserons évidement pas d’analyseur de réseau avec un câble de quelques kilomètres !
Le principe est très différent. Il faut utiliser une balise. Ce peut être le relais tva local s’il est disponible, sinon il faut être autonome. Nous chercherons un endroit dégagé dans la campagne, avec un point un peu élevé, monticule par exemple pour y placer une perche avec une antenne directive et une balise émettant dans la bande explorée sur batterie. Il est souhaitable que dans l’axe de tir, aucune réflexion ne soit possible. Une télécommande à distance est parfaite pour démarrer le signal et passer de porteuse en modulé et balayer en fréquence.
A distance, la mesure se fera avec le matériel dans le coffre de la voiture et une perche pour dégager l’antenne de réception. Un convertisseur fournit l e220 V depuis la batterie. Le champ étant très faible, il faudra évidement pré amplifier pour attaquer un analyseur de spectre ou un récepteur. Un voltmètre électronique sur la sortie FI permet d’étalonner le niveau du signal. Un test avec des antennes de référence permet d’étalonner la chaîne et relever les lobes des antennes testées, ce qui était le seul but de cette manipulation.

Suite : Analyseur de réseau scalaire "page 2 " 

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 Analyse de réseau sans analyseur

Les débutants se posent souvent cette question :
Un analyseur de spectre avec tracking et un bon coupleur directif peut-il remplacer un analyseur de réseau ?

La réponse n’est pas binaire car un tel dispositif pose deux problèmes.

 

 Problème du coupleur haute directivité

Il faut disposer d’un coupleur à haute directivité, mieux que 30 dB. Attention cela n’est pas le couplage direct mais le couplage inverse !
Un coupleur de mesure 20 dB sur la bande visée fait l’affaire, mais il faut un modèle haute directivité.
Il est très facile de vérifier cela en banchant la source tracking sur la sortie du coupleur et en renvoyant la sortie couplée vers l’analyseur.


Première mesure en laissant l’entrée ouverte (ou mieux sur charge terminale open et short). Toute l’énergie est réfléchie et l’analyseur, préalablement étalonné en le branchant sur l’entrée, montrera un signal inférieur du niveau de couplage, par exemple -20 dB.

Ensuite, il faut raccorder sur l’entrée libre du coupleur une excellente charge 50 ohms, étalonnée sur un analyseur de réseau de référence à mieux que 40 dB. C’est un matériel très cher et fragile ! Vous mesurez alors une baisse du signal précédent qui correspond justement à la directivité du coupleur.
Si vous avez un coupleur de mesure haut de gamme vous pouvez espérer 30dB.
Au-delà le matériel est hors de prix. Il faut que la charge de référence soit d’au moins 10 dB meilleure que la mesure à effectuer.

Attention de ne pas rentrer dans le bruit de l’analyseur, mais cela est raisonnable, par exemple :
Signal du tracking 0dBm.
Couplage ouvert/fermé de -20 dB, soit -20 dBm
Couplage sur charge de précision, 30 dB de moins soit -50 dBm.
Un bon analyseur à un plancher de bruit de mieux que -100 dBm en réglant bien les filtres, ce n’est donc pas un problème.
La mesure est donc possible sous réserve de disposer d’une charge de précision et d’un coupleur haute directivité (matériel cher !).

 

 Problème du choix réfléchi ou direct

Supposons disponible les matériels précédents. Nous savons donc tester un DUT (Device Under Test) en entrée, en le branchant à la place de le charge de précision, chargé en sortie d’une bonne charge. Nous obtenons la mesure du réfléchi.
La mesure du direct (= niveau de sortie) se fait en branchant le DUT avant le coupleur, mais cette fois il faut charger le coupleur avec la charge de précision. Attention avec les amplificateurs, la puissance ne doit pas griller votre bijou de charge de précision qui ne supporte que des petites puissances. Les atténuateurs de puissance n'ont jamais un bon ROS, la mesure sera difficile derrière les amplificateurs (c'est le même problème avec un analyseur de réseau). 
Nous pouvons donc mesurer direct et réfléchi, mais à la différence de l’analyseur de réseau, la mesure ne peur être simultanée.
C’est un gros problème, l’analyseur de réseau affiche simultanément direct et réfléchi, c’est indispensable pour les réglages car les deux variations de sont pas simultanées.
Avec un analyseur de spectre, c’est fromage ou dessert, ce qui s’avère trop limitatif et peu exploitable.

 

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 Liens analyseurs scalaires de réseau

 

L’ analyseur de réseau vectoriel HP 8410 + HP 8414A : Cette page de Jean François, F4DAY, décrit la solution vectorielle, qui est l’étape supplémentaire pour continuer à progresser dans la mesure avec un budget modeste : jf.fourcadier/hyperfrequences/HP8410

Microwaves encyclopedia : microwaves101.com/encyclopedia

Profils extrudés pour filtres

Distribution en surfaces de bricolages des produits combitech : alfer.com

Cables hyper

Câble testé : axon-cable.com

 "Can antennas", antennes réalisées avec des boîtes de conserve

Avec directeur : lien mort
Formule : lien mort
Applet de calcul : lien mort
Circular waveguide TE11 & TM01 mode & Guide wavelength calc: lien mort

* Liens vérifiés le 12/01/12

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Analyseur et tracking Signalhound

Publié dans Electronique lundi, 06 février 2017 05:10 0
HP 8564 E

Signalhound 12 GHz

Spectrum analyzer and tracking generator

en

sh

Maj : 02/04/13

 

  Introduction

This small page is a quick evaluation of small and low cost spectrum analyzer and tracking, to replace my a classical equipment, big, heavy, obsolete and expensive, the 40 GHz HP8564E + HP 85645A

Before to read this page you must have an attentive look at the constructor's site, and don't forget in chapter "Demo" the Youtube intro which is a good presentation of the products, but in the reality of work, the sweep speed is not so idyllic...

Cette petite page est une évaluation rapide du petit analyseur de spectre et tracking à faible coût, pour remplacer mon équipement classique, gros, lourd, obsolète et coûteux, le 40 GHz HP8564E + HP 85645A

Avant de lire cette page, vous devez examiner attentivement le site du constructeur et ne pas oublier dans le chapitre "Demo" l'intro Youtube qui est une bonne présentation des produits, mais dans la réalité du travail, la vitesse de balayage n'est pas aussi idyllique ...

 

  en First considerations

 Pros of Signalhound

  Very small size, portability
  Cheap price
  Modern design and USB operation
  Relative reactivity of team development when a bug is signalled (but now, It's slow).

  fr Premières considérations

 Avantages de Signalhound

  Très petite taille, portabilité
  Prix réduit (un peu plus de 3500 €, avec TVA, port et douane)
  Design moderne et fonctionnement USB
  Réactivité relative de l'équipe de développement quand un bug est signalé (mais maintenant, c'est lent).

 Cons

  Too many bugs, hangs often, with error messages : "Data missing",  infinite loop "Downloading calibration...", ...
  Slow sweep compared to the HP classic solution
  Low upper limit at 12 GHz (but sufficient for the majority of activities)
  Missing vector analyzer
  Necessity to plug USB after booting and to unplug before stop, (very bad for connectors life !) 

 Inconvenients

  Trop de bugs, bloque souvent, des messages d'erreur: "Data missing", boucle infinie  "Downloading calibration...", ...
  Balayages lents par rapport à la solution classique HP 
  Faible limite supérieure à 12 GHz (mais suffisante pour la majorité des activités)
  Il manque l'analyse vectorielle
  Nécessité de brancher les USB après le démarrage et à l'arrêt de débrancher avant, (très mauvais pour la vie des connecteurs !)

Before, it was the time of anchors boats.
My first granddaughter Céleste says: 
" All is too big for adjusting this transceiver! "
before Avant, c'était le temps des corps morts de mouillage.
Ma première petite fille Céleste dit :
" Tout est trop gros pour régler cet émetteur-récepteur ! "
Now, it is the time of little boxes.
My second granddaughter Héloïse says: 
" With my doll, we adjust easily this shf filter."
sh Maintenant, c'est le temps des petites boîtes.
Ma deuxième petite fille Héloïse dit :
" Avec ma poupée, nous ajustons facilement ce filtre shf. "

 

  Strange bugs / bugs étranges

  en Conditions of tests:


Very fast modern laptop, Core i7, on Windows 8 (64 bits)
Control in parallel on an external professional SA (Spectrum Analyser) ) 40 GHz, HP 8564E via a 18 GHz power divider on Signalhound tracking output (-6dB)
Screen copy of HP 8564E vith a GPIB usb interface 

 fr Conditions de tests :


Ordinateur portable moderne très rapide, Core i7, sur Windows 8 (64 bits)
Contrôle en parallèle sur un SA (Analyseur de spectre) professionnel externe 40 GHz, HP 8564E via un diviseur de puissance 18 GHz sur la sortie du tracking Signalhound (-6dB)
Copie d'écran du HP 8564E avec interface usb GPIB 

Click to zoom this picture of the installation.
You will see a strange screen display, showing that software hangs sometimes, and needs a PC reboot.

Cliquez pour agrandir cette image de l'installation.
Vous verrez un écran étrange, montrant que le logiciel se bloque parfois, et a besoin d'un redémarrage du PC.

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    First simple example of one of strange problems using sweep / Premier exemple simple de l'un des problèmes étranges en balayage

en Power divider on tracking output.
One direction to SA (Spectrum Analyser) Signalhound (-6dB), the other one to the external HP 8564E (-6dB)
Adjustment SA Signalhound with Central Frequency 10 MHz, span 1 MHz
Start sweep -10 dBm
Screen picture on SA Signalhound (marker is -10-6 = 16 dBm) : All seems nominal

fr Diviseur de puissance sur la sortie du tracking
Une sortie vers SA (Analyseur de spectre) Signalhound (-6dB), l'autre vers HP 8564E (-6dB)
Réglage  SA Signalhound avec la fréquence centrale de 10 MHz, span 1 MHz
Balayage tracking -10 dBm
Image de l'écran du SA Signalhound (marqueur est de -10 à 6 = 16 dBm): Tout semble nominal

For control, GPIB screen picture of SA HP 8564E, showing spectrum up to 50 MHz   
Around 10 MHz, no problem, marker is also about -16dBm, sweep about 1 MHz, nominal
Parasitic harmonics are present, first and second ones under 30 dB, others lower.

Pour contrôle, image écran GPIB du HP 8564E, montrant le spectre jusqu'à 50 MHz
Autour de 10 MHz, pas de problème, le marqueur est également sur-16dBm, balayage environ 1 MHz, valeurs nominales
Harmoniques parasites présents, premier et deuxième à moins de 30 dB, les autres plus faibles.

There was a big problem on software versions before 2.18b.
It is corrected now : Tracking Generator turns off when exiting TG Sweep mode

Always use the last version!

Il y avait un gros problème sur les versions logicielles avant la 2.18b.
Il est maintenant corrigé: Le tracking générateur s'éteint lorsque vous quittez le mode Sweep TG


Utilisez toujours la dernière version !

 

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    Second example : spurious frequency bug / Deuxième exemple: bug fréquence parasite

en Same installation, but:
Adjustment SA Signalhound with Central Frequency 1 GHz, span 100 kHz

Screen picture of SA Signalhound (marker is -10-6 = 16 dBm) : All seems nominal

fr Installation identique mais :
Réglage  SA Signalhound avec la fréquence centrale de 1 GHz, span 100 kHz

Image de l'écran du Signalhound SA (marqueur est de -10 à 6 = 16 dBm): Tout semble nominal

For control, screen GPIB picture of HP 8564E, showing spectrum with span 50 MHz   
Around central frequency, no problem, but big spurious frequency at same level and 8.67 MHz above!

Pour contrôle, copie d'écran du HP 8564E, montrant le spectre en span 50 MHz
Autour de la fréquence centrale pas de problème, mais grosse raie parasite au même niveau et 8.67 MHz au dessus !

With old softwares, major bug when clicking on "stop" sweep, high level parasitic signals remains.
Corrected in February 2013 by software version 2.18b.

Avec les anciens logiciels, bug majeur en cliquant sur "stop" balayage, les signaux parasites de haut niveau restent.
Maintenant corrigé par la version logicielle 2.18b.

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    Accuracy of frequency / Exactitude de frequence

en Document says clearly that internal 10 MHz reference is very noisy and it's realy true.

But now the good surprise.

To verify frequency value, the easiest way is to look an external reference signal, it is a 10 MHz rubidium, very stable and verified with a caesium source.
When using supplied utilities, surprise, frequency value is realy good, just 1.4 Hz under 10 MHz.
It is very acceptable for a so small unit.

For everyday frequency measurements, I don't need an external reference, I know the small error to correct.
I use only a source reference with small noise for noise measurement.

fr Les documents disent clairement que la référence interne 10 MHz est très bruyante et c'est réellement vrai.

Mais maintenant, la bonne surprise.

Pour vérifier la valeur de fréquence, le plus simple est de regarder un signal de référence externe, il s'agit d'un 10 MHz rubidium, très stable et vérifié avec une source au césium.
En utilisant les outils fournis, surprise, la valeur de la fréquence est vraiment bonne, juste de 1.4 Hz en dessous des 10 MHz.
C'est très acceptable pour un appareil si petit.

Pour les mesures de fréquence de tous les jours, je n'ai pas besoin d'une référence externe, je connais la petite erreur à corriger.
J'utilise seulement une source de référence à faible bruit pour les mesures de bruit.

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  Questions to team development, and answers from Justin Crooks (en english only)

Thank you for your thorough review. I think I can provide a few answers:

  Point 1: Did you plan shortly to make a new release to correct these major bugs for tracking output (2.18 software)? 
Answer from Justin: The TG, at the end of a sweep, does not turn off. Rather, it continues to output the last frequency of its sweep. To turn it off, you can simply set it to 0 Hz, –30 dBm. We will integrate this into the software next revision so this will be the default action at the end of a sweep. Both of the big spurs seem to be the TG output still on. We will correct this so you will not have to manually set it to 0 Hz, –30 dBm.
If turning the TG “off” after each sweep is your primary requirement, I think I could add this fairly soon (over the next week or so). Let me know if this addresses the core of your concerns, or if I missed something major.
  Closed, corrected (02/2013) by release 2.18b

  Point 2: Smith chart utility tool works on a single frequency. What is the problem to improve for a frequency sweep?
Answer from Justin: The problem is there is no hardware mechanism for a phase locked sweep. We can frequency lock at any 10 Hz step, and measure the relative phase to null it out, but each frequency change breaks phase lock.
OK, no possible evolution

  Point 3: How to read firmware version of SA and TG?
Answer from Justin: Help —> About will give you software and firmware versions.
To be completed: There is not an indication if version is for SA or TG, and no serial number of the boxes, waiting upgrade for correction for a more detailed information

  Point 4: A lack of ergonomic
When powering on there is four times the panel "settings changes, RBW adjusted" that needs 4 clicks to start the panel "verify..."This is stupid, there is no other choice, why these traps, and not to start directly on panel "verify..."
Question 4: waiting upgrade for correction

  Point 5  A bug in subtracting traces
Very simple test, SA is connected to TG / Sweep on a band, for instance 10 MHz to 2 GHz / Copy A to B / Shows A-B
The result on the violet trace is about -20dBm (or anything else) and not zero ! The strange problem is that this error is not always present. I have repeated many times exactly the same protocol, sometimes it works well, sometimes I read a false value.

substract_bug

Exemple inserting a line with loss

Looks at this example, for instance at 1 GHz!

A (yellow) is at -21.5 dBm
B (blue) is at -10 dBm
A-B (violet) is at -21 dB
With classical arithmetic -21.5 - (-10) is about -11.5 but not -21...
Answer from Justin: waiting 2013 summer new software for correction

 

  Other: To avoid the Error 5 (common in laptops), set your laptop power management settings, from the control panel, to “high performance.” This tells your laptop to optimize data transfer rather than optimizing battery life.

 

  Things seems to be on the good way!

  At the end of march, Justin answered to numerous complains with this next mail, we try to be optimistic and gives a reprieve waiting a sunny summer...

The mail from Justin: < I have your review page in my "Favorites". We will be re-designing the software
this summer
, and will make sure to fix the trace math, as well as dozens of
other issues customers have brought to our attention. I know the process is
slow, and I am aware that the trace math seems like an easy fix. Unfortunately,
the trace math was written and tested for the spectrum analyzer, with the "STORE
THRU" function for the TG.

If you can, use the "STORE THRU" with the TG, which automatically subtracts the
"THRU" from all subsequent TG sweeps. Use the "Trace Math" when operating
without the TG. We will sort through all of the features and implement them in a
solid, robust fashion for our next release. >

en My opinion is that starting sweep using "STORE THRU" is a bad idea, because, if trace is not really flat (always in the reality), you must first have to understand the problem of the irregularities. 
With starting first with "STORE THRU", you will see a subtracted trace without default, this is an illusion and not representative of the reality.

fr Mon opinion est que le balayage de départ en utilisant "STORE THRU" est une mauvaise idée, parce que, si la trace n'est pas vraiment plate (comme toujours dans la réalité), vous devez d'abord comprendre le problème des irrégularités. 
En commençant d'abord avec "STORE THRU", vous verrez une trace soustraite sans défaut, ce n'est qu'une illusion et non représentatif de la réalité.

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    The problem of USB / Le problème de l'USB

   en USB choice

USB is not the best solution for a scientific instrument, Ethernet is faster, more reliable and at the same price in production.

USB versions have a short life and compatibility problems, Ethernet is stable and not dependent or computer versions of software.

SH made the choice of USB and claims that it needs two USB plugs, its a big problem on a laptop with only 3 USB plugs, one is used for mouse, no other one remains free.

 

  Using a hub

In reality, this sentence is false, SH can works with some USB hubs on a 1 Ampere supply, but don't works on some other models. 
I checked some USB hubs, only one is working on my very fast laptop USB 3 with minimal hangs.


  fr Le choix USB

L'USB n'est pas la meilleure solution pour un instrument scientifique, Ethernet est plus rapide, plus fiable et au même prix à la production.

Les versions USB ont une vie courte et des problèmes de compatibilité, Ethernet est stable et ne dépend pas des versions de logiciels ou de l'ordinateur.

SH fait le choix de l'USB et affirme qu'il a besoin de deux prises USB, c'est un gros problème sur un ordinateur portable avec seulement 3 prises USB, une est utilisée pour la souris, aucune autre ne reste libre.

  Utilisation d'un hub

En réalité, cette phrase est fausse, SH peut fonctionner avec certains hubs USB sur alimentation 1 Ampère, mais ne fonctionne pas sur certains autres modèles. 
J'ai testé divers hubs USB, un seul fonctionne sur mon ordinateur portable très rapide en USB 3 avec un minimum de plantages.

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 Conclusion

   en Signalhound or not?

After many years using classic solutions, it is a revolution to works with these small boxes.
This page shows pros and cons, but in final, despite some defaults and frequency limitations, this configuration is the today's solution.

Software evolutions are expected, and in the future, many competitors will come on this market, but for the moment, despite various annoying bugs, and waiting next summer new software, this Signalhound is a good choice.
But, it is not alone on this market in quick evolution, so you must be a good hunting dog to choose your perfect pearl.

 

  fr Signalhound ou non ?

Après de nombreuses années d'utilisation des solutions classiques, c'est une révolution de travailler avec ces petites boîtes.
Cette page affiche les avantages et les inconvénients, mais en définitive, malgré quelques défauts et les limites de fréquence, cette configuration est la solution aujourd'hui.

Les évolutions logicielles sont attendues, et à l'avenir, de nombreux concurrents vont arriver sur ce marché, mais pour le moment, en dépit de divers bugs gênants, et en attendant le nouveau software l'été prochain, ce Signalhound est un bon choix
Mais il n'est pas seul sur ce marché en évolution rapide, donc vous devez être un bon chien de chasse pour choisir votre perle parfaite.

 

  Choice of Signahound or competitors

There is some other competitors for spectrum analyzer measurement.

If you works only on VHF, UHF, Rigol has a cheap solution.

Rohde & Schwarz with the ZVH 8GHz gives an autonomous product completely finished, with vector analyse and without major bugs, with Ethernet link. It is a bit more expansive than SH, but if you add a very expansive separate vector analyzer, price of the RS single unit is very competitive.
I don't make RS my first choice for some reasons:

The limit of 8 GHz is too low for my operations on 10 GHz band
When I ordered SH, I was not thinking that it was full of bugs!
SH price was lower, but it is a bad reason, now I must to add a very expansive vector analyzer.

  Choix de Signahound ou concurrents

Il y a quelques autres concurrents pour la mesure de l'analyseur de spectre.


Si vous ne fonctionnez que sur VHF, UHF, Rigol a une solution économique.

Rohde & Schwarz avec le 8GHz ZVH propose un produit autonome entièrement terminé, avec un analyseur vectoriel et sans bugs majeurs, avec liaison Ethernet. Il est un peu plus cher que SH, mais si vous ajoutez un très analyseur vectoriel séparé très cher, le prix du RS complet est très concurrentiel.

Je n'ai pas fait du RS mon premier choix pour quelques raisons:

La limite de 8 GHz est trop faible pour mes opérations sur bande de 10 GHz
Quand j'ai commandé SH, je ne pensais pas qu'il était plein de bugs!
Le prix du SH était plus bas, mais c'était une mauvaise raison, maintenant je dois multiplier mon budget pour ajouter un analyseur vectoriel 10 GHz très cher.

 

 

  To complete the modern pocket laboratory

To replace all antique material, now good as boat anchors for mooring,  with new small ones recent units with USB or Ethernet plugs, some complementary units are needed.

  Pour compléter le laboratoire moderne de poche

Pour remplacer tout le matériel antique, bon pour faire des corps morts de mouillage, par des petites boîtes modernes avec prises USB ou des Ethernet, certaines unités complémentaires sont nécessaires.

  The most difficult instrument to found is the vectorial analyzer. There is today a lot of modern VNA on the market, but their price (plus the one of calibration kit) explode with the upper limit frequency.
A 1 GHz is very cheap, but  for a 10 GHz, the price is prohibitive, so don't dream to an hypothetic magical solution.

  USB or Ethernet power meters and oscilloscopes are very easy to found now from various societies.

  For low frequencies, the fabulous cheap microcontrollers permits at everyone to create its perfect tools.

  L'instrument le plus difficile à trouver est l'analyseur vectoriel. Il existe aujourd'hui un grand nombre de VNA modernes sur le marché, mais leur prix (en plus de celui du kit de calibrage) explose avec la fréquence limite supérieure.
Un 1 GHz n'est vraiment pas cher, mais le prix d'un 10 GHz est prohibitif, aussi ne rêvez pas d'une hypothétique solution magique.

  Wattmètres et oscilloscopes USB ou Ethernet sont très faciles à trouver maintenant chez diverses sociétés.

  Pour les basses fréquences, les fabuleux microcontrôleurs bon marché permettent à chacun de se créer les outils parfaits.

 

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