La radio ramène sa science

Billet diffusé dans le cadre de la conférence-anniversaire de Podcast Suisse le 3 mai 2014. Nous parlions tous joyeusement de radio, selon nos perspectives de podcasteurs.


On ne va pas entrer dans les détails de la technologie. Si vous ne saviez pas construire votre propre transistor avant ma petite présentation, ça ne va certainement pas s’arranger après… Et on ne va pas entrer dans les détails de la théorie de l’électromagnétisme non plus. Essentiellement, parce que je n’y connais rien. Néanmoins, nous allons tenter de comprendre les grands principes du fonctionnement de la radio, en passant, comme il se doit, par quelques digressions d’usage.

Pour cela, nous allons nous intéresser au domaine fascinant des ondes électromagnétiques… Car quand on parle d’ondes radio, c’est bel et bien de cela qu’on parle.

Ondes électromagnéquoi?

Oui, pardon, d’habitude on essaie d’éviter les gros mots sur podcastscience… Ou alors on les explique.

Une onde radio, a priori, ça fait penser a priori à du son pas vrai? Et pourtant… C’est bien plus proche de la lumière et des micro-ondes que des ondes sonores…

Pour vous et moi, un son, c’est un signal que l’on perçoit grâce à notre sens de l’ouïe… Un truc qu’on entend, quoi…. Pour un physicien, c’est

une vibration mécanique d’un fluide, qui se propage sous forme d’ondes longitudinales grâce à la déformation élastique de ce fluide.

(http://fr.wikipedia.org/wiki/Son_(physique))

 speech

En d’autres termes, un son, c’est une vibration qui se déplace un fluide, c’est à dire dans un liquide ou dans un gaz, comme l’air. Dans le vide de l’espace, ou sur la lune, vous pourriez faire exploser une bombe que personne ne l’entendrait. Bon, vous me direz, il n’y a personne pour l’entendre, mais même… Le son n’existe tout simplement pas dans le vide.

Je profite de mon temps d’antenne pour rétablir une vérité essentielle : n’en déplaise à mon ami Jonathan qui est un grand fan, les films de science-fiction vous mentent, Mesdames et Messieurs… Les batailles spatiales qu’on nous présente comme ça :

sonnent en réalité comme ça :

Mais je digresse… Or donc, le son est transporté par l’air, disions-nous. Ce qui sort du haut-parleur de votre récepteur radio est bien une onde sonore…

Par contre, l’onde radio qui véhicule le signal depuis l’antenne de l’émetteur jusqu’à l’antenne du récepteur, cette onde-là, n’est pas sonore. C’est une onde électro-magnétique tellement longue qu’on l’appelle onde-radio.

 

Ondes électromagnétiques. Merci Puyo! Ondes électromagnétiques. Merci Puyo!

Les 4 forces fondamentales de l’Univers

Si vous avez retravaillé vos fondamentaux en écoutant Podcast Science, vous savez qu’il existe 4 forces fondamentales dans l’univers : l’interaction faible (responsable de certaines formes de radioactivité), l’interaction forte (qui maintient entier le noyau des atomes), la gravitation (qui nous permet de garder les pieds sur terre, mais qui est tellement faible en comparaison des autres, qu’on peut la détourner avec un simple aimant collé sur le frigo!) et enfin la force électro-magnétique, responsable de l’électricité et du magnétisme.

Ondes électromagnétiques

C’est bien de cette dernière force qu’on parle ici : toutes les ondes électromagnétiques ont en commun d’être véhiculées par des photons. Elles sont partout. Elles sont toutes exactement de même nature, mais suivant la longueur de l’onde, elles ont des propriétés différentes. L’illustration de Puyo les classe de gauche à droite par longueur d’onde, de la plus courte (rayons gamma) à la plus longue.

Si l’onde (c’est à dire la vague) est hyper-courte (rayons gamma, rayons x et ultra-violets), les rayons sont dangereux. Ils sont dits “ionisants” car ils ont la particularité de shooter les électrons des atomes qui se trouvent sur leur passage.

Alors si les atomes sont ceux qui constituent votre ADN, vous avez intérêt à éviter… C’est la porte ouverte aux mutations génétiques incontrôlées souvent synonymes de cancers… C’est pour ça qu’on évite à tout prix l’exposition aux rayons gamma… Et que votre médecin ne vous prescrit jamais plus de radiographies que nécessaire et laisse à votre ADN le temps de se réparer entre deux radios… (Vous avez remarqué qu’on dit aussi “radio” pour radiographie, en passant ?) On évite aussi les ultra-violets. Très proches du spectre lumineux, mais eux aussi ionisants et pas très sympa avec les électrons de vos atomes d’ADN.

Par contre, on les utilise volontiers pour détruire les atomes des cellules cancéreuses par exemple. On les bombarde de manière très ciblée avec des rayonnements électromagnétiques ionisants (on dit aussi “radiations”). C’est ce qu’on appelle la “radiothérapie”… Eh oui… Il est là aussi question de radio… Du latin radius : rayon.

On pourrait croire que je digresse à nouveau, mais non… Si on poursuit notre balade le long des ondes de plus en plus longues, on va finir par arriver aux ondes radio. Mais pas tout de suite. Juste en-dessous de la limite de l’ultra-violet, il y a le spectre visible pour l’humain. C’est à dire que les cônes et les bâtonnets sont adaptés pour ces longueurs d’ondes et du coup… On les voit ! C’est ce qu’on appelle la lumière ! Eh oui, voilà un scoop Mesdames et Messieurs… La radio et la lumière, c’est la même chose !!

Quand les ondes sont un peu plus longues que celles de la lumière, on passe dans l’infrarouge. Nos yeux ne sont pas équipés pour les voir, mais nos radiotéléscopes et nos caméras thermiques si, et les technologies actuelles permettent de transposer facilement le spectre de l’infrarouge pour qu’il soit visible par l’œil humain :

Illustration de @_puyo_Illustration de @_puyo_, librement inspirée de ceci: bit.ly/Infrared_dog_wiki

Je sais, je sais, vous allez me dire que je digresse à nouveau… Mais pas du tout! Parce que cette fois-ci, si on continue la promenade, on arrive enfin aux ondes radio !

03-illustration-3-mai-2014-ONDES Ondes radio. Merci Puyo!

Si les ondes visibles mesurent entre 400 et 700 nanomètres, soit entre 0.0004 et 0.0007 mm, comme les cônes dans nos yeux, d’ailleurs. Les ondes radio, en revanche, mesurent entre 1 cm et 10 km… Vous imaginez la gueule de cônes qu’il nous faudrait pour les voir… D’ailleurs, heureusement qu’on ne les voit pas, car en ce début de XXIe siècle, entre la radio AM ou FM, la télévision hertzienne, la téléphonie mobile, les micro-ondes, le wifi, le bluetooth, les radars et les satellites… On serait un peu éblouis !

La bonne nouvelle par contre, c’est que les ondes radio ne sont pas ionisantes, et donc parfaitement inoffensives. Le pire qui puisse arriver, ce serait qu’elles vous réchauffent.

OK pour les ondes, mais la radio ?

Bon, OK, là on a posé le décor, on sait maintenant ce qu’est une onde électromagnétique… OK… Mais comment est-ce qu’on fait pour y accrocher de la voix ?

Eh bien, ce n’est pas évident du tout… D’ailleurs, au départ, on y accrochait du morse par un simple phénomène d’interférence. On perturbait l’onde un petit coup, un petit coup, un petit coup, un long coup, un long coup, un long coup, un petit coup, un petit coup, un petit coup, et paf, on avait envoyé un SOS.

Et c’était déjà une sacrée prouesse. Qu’on doit à tout une longue succession de génies scientifiques dont certains ont compris les principes de l’électricité… D’autres du magnétisme… Puis à James Clerk Maxwell pour avoir compris que les deux étaient une expression différente de la même force fondamentale, l’électro-magnétisme. Puis à Michael Faraday – un autodidacte incroyable – pour avoir postulé qu’on devrait pouvoir faire circuler de l’information entre un émetteur et un récepteur en utilisant les équations de Maxwell. Puis à Heinrich Rudolf Hertz, – un autre génie trop peu connu, mort à 36 ans, après avoir fait avancer la science dans de nombreux domaines –  pour avoir été le premier à expérimenter la théorie… On pourrait en citer des dizaines d’autres, tellement il a fallu de contributions pour faire de la radio ce qu’elle est aujourd’hui, mais l’histoire retient surtout deux noms.
Guglielmo Marconi (image Wikimédia)Celui de l’ingénieur et inventeur italien Guglielmo Marconi, d’abord, qui en 1895 a réussi à transférer un signal radio depuis un émetteur placé sur le rocher de Salvan et un récepteur placé 2.4 km plus loin (oui oui, notre Salvan, dans la vallée du Trient en Valais… On peut d’ailleurs y visiter le petit musée de la Fondation Marconi, et c’est très intéressant). Cela a complètement révolutionné les communications en morse, qui jusque-là nécessitaient un réseau câblé. Les quelque 700 survivants du Titanic et leurs descendants doivent la vie à cette technologie !

Reginald Fessenden (image Wikimédia)L’autre nom que l’histoire a retenu est celui de l’inventeur canadien Reginald Fessenden qui, le 23 décembre 1900, a réussi à faire transiter de la voix par radio sur une distance de 1,6 km. dans le Maryland aux Etats-Unis.  1900… Il aura tout de même fallu un certain temps après cela pour la technologie soit massivement adoptée.

S’il est relativement simple de transmettre du morse par radio, rétrospectivement en tout cas, transmettre de la voix, c’est une autre paire de manches…

On l’a vu, la voix, c’est une onde qui déplace de l’air à une certaine fréquence mesurée en en Hertz, en hommage à Heinrich Rudolf. Une onde, c’est une vague. Une vague, ça monte et ça descend, il y a toujours des pics et des creux. Le hertz mesure simplement combien il y a de pics et de creux par seconde.

04-illustration-3-mai-2014-ONDES

Une vague sur laquelle Puyo! n’hésite pas à surfer 😉

Si je chante un la, ma voix vibre à 444 Hz. La vague monte et descend 444x à chaque seconde.

Admettons que je veuille transformer cette onde sonore en onde radio : il me faut d’abord un micro. Un micro, c’est une espèce de dynamo, en fait… Il récupère les mouvements de l’air et les convertit en signal électrique. On pourrait presque penser que ça suffit à faire de la radio, mais pas tout à fait… Car plus la fréquence est basse et plus l’antenne doit être grande. Si on voulait transmettre une onde électromagnétique de 444 hz,je vous épargne le calcul (299’792’458/444), il nous faudrait une antenne de 675 km de haut ! Et bien sûr, une deuxième antenne de 572 km de haut si je décidais de chanter un do à la place de mon la). Alors s’il me prenait l’idée saugrenue de chanter la marseillaise, il faudrait transformer la moitié du système solaire en antennes, rien que pour émettre… Et pour recevoir, je ne vous raconte pas…

Si on veut éviter d’avoir des antennes monumentales, il nous faut des ondes beaucoup plus courtes (c’est à dire des fréquences beaucoup plus élevées). Et si possible, éviter de changer de fréquence à chaque fois qu’on change de note. C’est là qu’intervient la magie de la technologie :

  • on produit une onde porteuse de haute fréquence en faisant circuler du courant alternatif dans un oscillateur ;
  • on utilise ensuite un modulateur pour “mélanger” le signal à basse fréquence du micro avec le signal à haute fréquence de l’oscillateur ;
  • Et boum, on a accroché le son sur nos ondes radio. Il n’y a plus qu’à les transmettre via une antenne !

05-illustration-3-mai-2014-ONDES

Si on se représente l’onde porteuse comme un tuyau virtuel entre l’émetteur et le récepteur, c’est un peu comme si on mettait un petit tuyau dedans, contenant le signal basse fréquence. Et deux options se présentent à nous concernant ce petit tuyau (3 en théorie, mais 2 en réalité).

Soit, on fait varier son diamètre pour représenter l’onde basse fréquence, on dit qu’on est en modulation d’amplitude. Amplitude modulation en anglais, ou AM dans la vie de tous les jours…

Si en revanche on opte pour un tuyau à diamètre fixe, on fait alors varier le débit… Et là, on parle de modulation de fréquence, ou Frequency Modulation, c’est à dire FM.

Enfin, ça, c’est pour ceux qui n’y comprennent rien aux maths et qui aiment les métaphores de plombiers, comme moi. Ne me demandez pas comment fonctionnent exactement ces types de modulation. Pour ça, il y a les matheux. Et on a la chance d’en avoir un sous la main ; Nico  va nous expliquer quelques délicieuses subtilités sinusoïdales, en prenant l’exemple de la modulation d’amplitude (AM).

Au départ donc, on a un son que l’on souhaite transmettre. Les sons que l’on entend sont situés dans des fréquences entre 0 et 20’000Hz mais pour transmettre plus q’un seul son sur un signal, on va déplacer en fréquence ce son grâce à une porteuse. Histoire de simplifier les choses, on va représenter le son que l’on souhaite transmettre par l’onde en bleu, c’est une note, représentée en bleu en haut à droite. Alors que cette note a une seule fréquence, le son que l’on souhaite transmettre est pour sa part en général étalé sur tout un domaine fréquentiel, entre 0 et 20’000Hz comme je l’ai représenté en haut à gauche. Les fréquences nulles sont au centre et le son est donc réparti autour de cette fréquence nulle.

La porteuse est quant à elle une note haute fréquence. C’est à dire un signal à une seule fréquence beaucoup plus grande que toutes celles du son que l’on souhaite transmettre comme dans l’exemple représenté en rouge et qui oscille 10 fois plus que l’onde bleue.

prezPSuisse.001

 

Pour amener notre signal en haute fréquence, une manière simple de le faire est de le multiplier par la porteuse. Si vous essayez en effet de multiplier point à point les signaux rouge et bleu au-dessus, vous verrez que les très fortes oscillations rouges ne disparaissent pas ; le signal en bleu est décalé vers les hautes fréquences. En fait on obtient le signal ci-dessous, en vert, et sa répartition dans les fréquences au-dessus.

 

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En fait, si on est un peu plus finement observateur, on remarque que ce signal en vert est grosso-modo modulé en amplitude par notre signal de départ. C’est à dire que les maximums du signal obtenu (l’amplitude) ne dépassent jamais la valeur de notre signal de départ en valeur absolue. C’est à cela qu’on doit le nom de “modulation d’amplitude” à la modulation d’amplitude.

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Et pour ce qui est des parties fortement oscillantes, elles sont en fait à la même fréquence que la porteuse (bon, ici ça marche parce que nos signaux sont simples, dans la réalité vraie c’est un peu plus compliqué pour ce cas-là).

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Déjà à ce stade, on est content, on a amené en haute fréquence notre signal de départ. Contents, parce qu’en choisissant des porteuses de fréquences différentes, on peut stocker plusieurs signaux sonores sur le même signal transmis. Enfin, pour peu bien sûr que l’on parvienne à faire l’opération inverse : retrouver le signal de départ.

Qu’à cela ne tienne, on a réussi à obtenir la modulation en multipliant par une porteuse, pourquoi ne pas réessayer de multiplier pour obtenir la démodulation? Si on fait cela on obtient le signal ci-dessous en vert.

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Aussi surprenant que cela paraisse (et en fait ça s’explique très bien avec ces bonnes vieilles formules trigonométriques soit disant “inutiles” que vous avez vues à l’école), on voit que l’on a pratiquement le signal de départ (à quelques oscillations près). En fait, comme cela est représenté sur le spectre du dessus, on a bien retrouvé le signal de départ  (au centre) auquel sont ajoutées deux composantes plus haute fréquence. Il suffit donc au final de ne garder que les basses fréquences (faire un passe-bas pour les puristes) pour retrouver notre bon vieux signal ci-dessous :

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Tout cela parce que, comme on a eu l’occasion de vous le dire il y a fort longtemps, cet affreux cosinus peut aussi s’écrire

cos(x)=2cos(x).cos(10x).cos(10x)-cos(x).cos(20x)

 

L’immense avantage de la FM, c’est sa très haute fidélité (car si j’ai tout compris ce que raconte Nicotupe, c’est parce qu’il y a moins de bruit. Le bruit, c’est un truc d’amplitude, pas de fréquence…) L’immense inconvénient, c’est que cela ne fonctionne qu’avec des ondes ultra-courtes, dont l’une des propriétés est d’être sensible aux conditions atmosphériques et de voyager en ligne droite. L’émetteur et le récepteur doivent se « voir » pour que le signal passe.

Donc, si on résume, on a, côté émetteur : un micro qui capture les basses fréquences de la voix et les transforme en signal électrique. Puis un oscillateur crée une onde porteuse à une certaine fréquence, par exemple 102.6 Mhz pour la RTS sur la bande FM ici à Lausanne. Un modulateur vient y accrocher le signal du micro (grâce à une multiplication, merci Nicotupe). Et finalement une antenne balance le tout dans l’atmosphère. Côté récepteur, on doit faire exactement le processus inverse : une antenne récupère l’onde porteuse, un démodulateur fait joujou avec les cosinus et reconstitue le signal basse fréquence et un haut-parleur transforme ce signal en onde sonore en provoquant une vibration de l’air.

C’est bien sûr hyper-schématique… Il manque des tas de couches et de composants dans cette histoire… Notamment le syntoniseur qui permet à un même poste de radio de se brancher sur plusieurs porteuses différentes… Et là, on ne parlait que de la transmission d’un signal audio en analogique. Si on voulait parler de la transmission d’un signal vidéo en numérique, et bien, il faudrait quelques composants de plus côté émetteur et côté récepteur. Un peu de complexité supplémentaire, donc, mais le principe de base reste bel et bien le même !

Voilà… Bon… Sinon… J’avais prévenu que j’allais digresser… L’occasion est trop belle… Je ne sais pas vous… Mais moi, dès que je trouve une réponse à une question, au lieu d’être satisfait, je me pose presque aussitôt une nouvelle question… Et là, bien sûr, je me demande…  Une fois qu’on a émis un signal radio… Que devient-il ?

Les propriétés des ondes radio dans le vide sont exactement les mêmes que les propriétés des ondes lumineuses. Une fois qu’elles ont frayé leur chemin hors de l’atmosphère terrestre (et des différentes perturbations qu’elles peuvent y rencontrer), les ondes radio circulent à la vitesse de la lumière et obéissent à la loi en carré inverse. C’est à dire qu’elles perdent la moitié de leur puissance à chaque fois que la distance double.

Loi en carré inverse

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illustration: source wikipedia http://en.wikipedia.org/wiki/Inverse-square_law

Ça veut dire que les signaux qu’on a envoyé depuis la Terre il y a 100 ans, en 1914, se baladent actuellement à 100 années lumière d’ici, sur Alkaïd, la poignée du chariot de la Grande Ourse, par exemple ou sur Alpha Gruis dans la constellation de la Grue.

Bon, on n’a pas eu le temps d’aller dans le détail des propriétés des différentes ondes en fonction de leur longueur… En version courte, toutes ne quittent pas l’atmosphère. Certaines rebondissent contre la ionosphère, d’autres épousent les courbes de la Terre. Mais toutes celles qui circulent en ligne droite, une fois qu’elles ont franchi la ligne d’horizon, continuent leur course dans l’espace.

Carl Sagan, un astrophysicien et auteur brillantissime a imaginé, pour une scène de Contact – un formidable roman de science-fiction – que des extra-terrestres nous renvoient le premier signal vidéo qu’ils ont pu intercepter de la Terre…

 

http://www.youtube.com/watch?v=DRD-tO7jV9U

Un peu perturbant, pas vrai ? Eh oui, les JO de Berlin de 1936 furent le premier événement d’envergure mondiale à être diffusé en direct à la télévision… On fait mieux comme carte de visite… Mais heureusement, en sciences, le doute est toujours de mise. On ne croit jamais un argument sans aller le vérifier, même s’il émane de la plus prestigieuse autorité. Carl Sagan a un peu exagéré, histoire, sans doute de choquer et de nous amener à réfléchir : cette prestation d’Hitler ne constituait fort heureusement pas le 1er signal TV que nous ayons envoyé dans l’espace. À l’heure où la BBC, pourtant pionnière, réalisait ses premières expérimentations d’émission de TV via ses propres antennes radio en 1929, les Etats-Unis émettaient leur première émission de TV régulière depuis le 2 juillet 1928 déjà, soit une année plus tôt. Je ne sais pas de quoi parlait l’émission (il faudrait demander aux habitants de la Grande Ourse), j’espère juste que nous n’avons pas à en rougir.

Quant à la présente émission, diffusée via le réseau de fibre optique de l’Internet terrestre, il y a peu de chances qu’elle atterrisse un jour dans une galaxie voisine. Tant mieux, sinon, j’aurais mis une cravate.

Quote

Je ne pouvais pas finir cette  présentation sans une petite quote, tradition de Podcast Science chipée sans vergogne à nos amis de Niptech – et qui fait des petits dans la podcastosphère scientifique francophone, je pense à nos amis d’Indésciences ou de Lisez la science.

“It’s of no use whatsoever… This is just an experiment that proves Maestro Maxwell was right – we just have these mysterious electromagnetic waves that we cannot see with the naked eye. But they are there.”— Heinrich Rudolf Hertz (1887), after producing the first electromagnetic (radio) waves, not realizing the practical importance of his experiments

Des fois, on se demande si c’est vraiment une bonne idée que de laisser la science entre les mains de ces fous de scientifiques 😉

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