Documentation technique
Télémesure

La télémesure est la transmission de résultats des expériences par une liaison radio.
Pour mener à bien ces liaisons, Planète Sciences et le CNES proposent un émetteur et le matériel de réception nécessaire :
- Kiwi Millenium (jusqu’à 2016)
- Kikiwi (à partir de 2016)
Le Kiwi Millenium est à la fois un système de télémesure simple à mettre en oeuvre et un émetteur HF pur. Selon le type de projet et les compétences de l’équipe, on peut utiliser le système simple ou en créer un plus performant (débit).
On distingue donc l’utilisation du Kiwi Millenium :
- comme système de télémesure, pour des ballons simples.
- comme émetteur seul, pour les fusées expérimentales ou les ballons évolués.
Dans ce 2e cas, la télémesure doit se conformer aux « standards » de Planète Sciences : - La télémesure numérique avec une modulation FSK
- La télémesure analogique IRIG (VCO à XR2206 + Multiplexage en fréquence)

Codage et modulation FSK
Les projets expérimentaux utilisent généralement des télémesures numériques, qui supportent de nombreuses expériences et permettent d’envoyer des données naturellement numériques (venant de capteurs numériques, d’un GPS,...), ce qui quasiment impossible à faire avec une télémesure analogique IRIG.
La télémesure numérique n’est pas beaucoup plus compliquée que la télémesure analogique, grâce à l’utilisation de microcontrôleurs (PIC, Atmel, BASIC stamp,...). Le club devra posséder quelques connaissances minimales de mise en œuvre et programmation des microcontrôleurs. La partie ’modulation’ est elle très similaire à celle d’une modulation analogique IRIG.
Codage des octets
Le codage de base de la télémesure numérique est inspiré de la norme RS-232, c’est une liaison série asynchrone à deux niveaux sans retour à zéro. On ne peut pas rigoureusement parler de « norme RS-232 », car cette dernière comprend aussi les niveaux des tensions (qui sont différents dans notre cas), les formats des connecteurs, etc.
Le codage des octets est en fait celui de la plupart UART (Universal Asynchronous Receiver Transmitter, périphérique gérant les communications séries) des microcontrôleurs usuels (PIC, Atmel,...). En particulier :

- le bit de Start est un 0
- 8 bits de données (LSB first)
- pas de bit de Parité
- un seul bit de Stop, à 1
- au repos, la ligne est au niveau 1
Multiplexage dans un trame
Pour envoyer des données, il faut convenir des règles de communication entre l’émetteur et le récepteur. C’est l’objectif de la mise en forme des trames. Une trame est un bloc de données qu’on souhaite transmettre, avec un format fixe, connu de l’émetteur et du récepteur. Lorsque le récepteur reçoit des données, il saura rétablir à quelle expérience correspond quelle donnée, détecter et même corriger les erreurs de transmission.
On peut imaginer de nombreux formats de trames. Toutefois, les logiciels proposés par Planète Sciences ne supportent actuellement qu’un seul format de trame, dite « trame SNR ».
La création d’une trame est nécessaire lorsque l’on souhaite envoyer plusieurs informations avec le même émetteur. En télémesure numérique, le plus simple consiste à mettre en série les différentes données à envoyer, opération appelée Multiplexage.
Le format de trame privilégié par Planète Sciences est
- Une nouvelle trame est marquée par un octet de synchronisation, de valeur 255 (0xFF).
- Les octets suivants sont les données transmises. Bien entendu, il ne faut pas transmettre la valeur 255 dans ces octets, sinon le logiciel se resynchronise sur cet octet et la trame est perdue. Généralement, le programme teste chaque octet et le limite à 254 (0xFE) s’il vaut 255 (0xFF).
Si le club le désire, il peut bien entendu utiliser d’autres formats, auquel cas il devra aussi réaliser le logiciel de réception. En particulier, on peut simplement ajouter des codes détecteurs et correcteurs d’erreurs, différents types de trames, etc.

Modulation FSK
La modulation permet de transformer un signal en un autre, mieux adapté à la transmission.
Par exemple, pour transmettre un signal par ondes radio, on ne peut pas utiliser n’importe quelle fréquence, pour des raisons légales et techniques. On va donc utiliser notre signal pour moduler un signal de fréquence différente, qui sera transmis.
On peut moduler plusieurs paramètres du signal : la phase, l’amplitude, la fréquence.
Sur une chaine de télémesure FSK type Planète Sciences, on utilise la modulation FM-FM à deux niveaux :
- pour passer du signal binaire en un signal analogique modulé envoyé à l’entrée de l’émetteur (kHz).
- dans l’émetteur Kiwi Millenium, pour moduler en fréquence l’onde électromagnétique dite « Porteuse » (MHz).
Pour passer du signal série binaire à un signal utilisable par l’émetteur Kiwi, on utilise une modulation FSK (Frequency Shift Keying), une modulation simple où chaque bit est codé par un signal sinusoïdal de fréquence bien définie. Un bit à 0 va être codé par une fréquence f0 et un bit à 1 va être codé par une fréquence f1 différente. Ces fréquences de codage sont nommées fréquences clefs.

Il existe bien sûr un lien entre les fréquences clefs, le débit et la portée de la liaison. Plus la fréquence est haute, plus le débit est grand mais la portée diminue.
Le matériel de réception CNES / Planète Sciences impose les fréquences / débit suivant.
Débit | Fréquence « 0 » (0V) | Fréquence « 1 » (5V) | Amplitude modulation Kiwi |
600 baud | 1 500 Hertz | 900 Hertz | 0,5 Vcc |
1 200 baud | 2 650 Hertz | 1 900 Hertz | 1 Vcc |
4 800 baud | 15 000 Hertz | 9 000 Hertz | 1,5 Vcc |
9 600 baud | 24 000 Hertz | 14 400 Hertz | 2 Vcc |
14 400 baud | 36 000 Hertz | 21 600 Hertz | 2,5 Vcc |
Émetteur de télémesure
Émetteur FM
Un émetteur transforme un signal en une variation de signal HF.
Il utilise pour cela un VCO HF (même principe que la modulation IRIG).
Puis il amplifie ce signal pour l’envoyer sur une antenne.

Influence de l’amplitude de la modulation

- Faible amplitude de la modulation BF (0.1Vcàc)
- Faible déviation de la fréquence porteuse HF (NFM)
- Grande portée, 10kbps max —> utilisé en Ballon
- Grande amplitude de la modulation BF (1.0Vcàc)
- Grand étalement du spectre HF (WFM)
- Portée réduite, Bande Passante correcte —> utilisé en Fusex
Prévoir un potentiomètre de réglage de l’amplitude, pour affiner lors de test avec récepteur.
Transcodage ou pré-modulation nécessaire
Problème des VCO HF : ils n’acceptent pas de tension continue en entrée.
On est obligé de moduler le signal pour transmettre une information (trouver une autre façon de la représenter)
Opération linéaire analogique : modulation BF (IRIG, FSK …) -> émetteur FM-FM
Opération numérique logique : transcodage (Manchester, NRZ, scrambling …)
Les « systèmes de télémesure » intègrent un codage.
Fréquences : Bandes réglementées
Autorités de régulation, tableaux des fréquences : ONU : UIT ; Europe : CEPT ; France : ARCEP, ANFR.
Exemple d’attributions vers 138MHz :
Fréquence (MHz) | Attributions primaires et secondaires |
136 à 137 | Mobile aéronautique (comm VHF) Recherche spatiale (espace vers terre) [2d] |
137 à 138 | Météorologie par satellite (espace vers terre) Exploitation spatiale (espace vers terre) Mobile aéronautique (défense) Mobile par satellite LEO (espace vers terre) Recherche spatiale (espace vers terre) [2d] -> Kiwi 137.95 autorisé via le CNES |
138 à 144 | Mobile aéronautique (défense) Recherche spatiale (espace vers terre) [2d] |
144 à 146 | Amateur (exclusivité, 10W (novice) à 120W) |
Tableau extrait du tableau derivé de l’ANFR.
Voir aussi la page « fréquences » de l’ARCEP.
Fréquences : Bandes Radioamateurs
Un R/A certifié doit être présent sur le lieu d’émission.
Puissance max : 1 à 120W et +.
Chaque bande est répartie par utilisations (ex : 144 à 144.035 : CW EME exclusif).
Bande occupée <7.5kHz.
Listen>
http://f6crp.pagesperso-orange.fr/reg/].
Voir aussi la répartition des utilisations : http://radio.pagesperso-orange.fr/F...
Nota : VHF : 30-300MHz ; UHF : 300-3GHz
Fréquences : Bandes sans licence (≤500mW)
ISM (Industrial, Scientific and Medical)
SRD (Short Range Device) ; PMR (talkies)
AFP (Appareils de Faible Puissance et de Faible Portée)
Fréquence (MHz) |
Puissance | Largeur canaux ’’Channel Spacing’’ |
Rapport cyclique ’’Duty Cycle’’ |
27, 35, 40, 68 | 100 mW (*) | 10 kHz | 100% |
169,4 to 169,475 | 500 mW | 50 kHz | 10% |
434,04 to 434,79 | 10 mW | 25 kHz @ 100% | 100% |
869,40 to 869,65 | 500 mW | WFM @ 10% | 10% |
902 to 928 | USA only | ||
2400 to 2483,5 | 100 mW | ||
5725 to 5875 | 25 mW |
Sources : FCC 47CFR Part 18, ETSI EN 300 220-1 & ETSI EN 300 440-1, Annexe 7 au tableau ANFR.
(*) : Automatic Meter Reader & Tracking, Systèmes de relevé de compteurs et dispositifs de localisation et de poursuite
Portée = Puissance / Fréq / Débit * Antenne
Bilan de liaison : PTX + GantT – Ppropag + GantR = PRX
Portée ≈ PTX / Fréq_HF /BandePassante * GantR
Portée | PTX | Fréquence HF | BandePassante | GantR | (utilisation) |
500 km | 300 mW | 138 MHz | 0.6 kbps | Yagi | Ballon |
10 km | 300 mW | 138 MHz | 9.6 kbps | Yagi | Fusex |
1 km | 500 mW | 869 MHz | 9.6 kbps | λ/4 | CanSat |
200 m | 10 mW | 869 MHz | 9.6 kbps | λ/4 | |
1 km ? | 100 mW | 2.4 GHz | 100 kbps | patch |
Iso-perte par propagation :
Fréquence | Puissance |
140 MHz | 10 mW |
440 MHz | 80 mW |
869 MHz | 250 mW |
2400 MHz | 2000 mW |
Exemple courants, à 2.4 GHz :
Puissance | Puissance | Protocole | Débit | Portée |
0 dBm | 1 mW | ZigBee | 0.2 Mbps | 10 m |
10 dBm | 10 mW | Bluetooth | 1 Mbps | 10 m |
20 dBm | 100 mW | WiFi | 10 Mbps | 100 m |
30 dBm | 1000 mW | GMS-3G | 1 Mbps | 10 km |
Émetteurs/Récepteurs du commerce

- Chips RF + LNA [5€]
- TI, Semtech, Michrochip…
- Conception & réalisation délicate (CMS & HF)
- Module (sans codage) [40€]
- Radiometrix, Aurel, nanotron, laird-tech…
- Antenne à connecter proprement
- Nécessite un codage ou modulation BF
- Système de télémesure [80€]
- HAC-tech, Radiometrix…
- Tout-en-un, bien pour la vidéo
- Pour des portées > 1km :
- Éviter les protocoles bidirectionnels (Wifi, ZigBee, Ack)
- Pouvoir relier le récepteur à une antenne à fort gain
Cette page est extraite de la présentation sur les émetteurs dans le cadre de la formation à la réalisation d’une chaîne télémesure.
Récepteur de télémesure
Chaine de réception télémesure

- Une antenne de réception : elle permet de recevoir avec un gain correct, les ondes émises par l’émetteur d’une fusée ou d’un ballon.
- Un récepteur : il « écoute » la fréquence de l’émetteur et restitue le signal de modulation en basse fréquence (BF).
- Un démodulateur : il transforme les fréquences en tensions et traite l’information de façon à ce qu’elle soit lue par un ordinateur. (Norme RS232)
- Un enregistreur : il permet une sauvegarde des télémesures. L’enregistrement se fait à la sortie du récepteur (signal BF).
- Un ordinateur de traitement : il met en forme l’information pour une présentation graphique en temps réel et une sauvegarde sous forme de fichier texte.
Les antennes
Le véhicule télémesure du CNES (Spatiobus) est équipé d’un mat de 5m de hauteur pouvant porter :
- une antenne 5 éléments qui a un gain important mais est très directionnelle (ballons)
- une antenne 3 éléments qui a un gain moins important mais est plus omnidirectionnelle (fusées).
Pour un lâcher de ballon sans le camion télémesure, on utilise une antenne 3 éléments.
Pour des tests de réception, une antenne lambda/4 suffira amplement.
Le récepteur AX700E

Bande ouverte : 50 à 904.995 MHz
Impédance de l’antenne : 50 Ohms
Sensibilité : AM (10 dB S/B) : 3 µV / FM (12 dB S/B) 1,5 µV
Puissance audio : 1,8 W
Impédance audio : 8 Ohms / 10% de distorsion max
Sortie enregistrement : 30 mV / Jack 3,5 mm
Le récepteur AR5000

Bande ouverte : 10 KHz à 2600 MHz
Impédance de l’antenne : 50 Ohms
Sensibilité : AM (10 dB S/B) : 3 µV / FM (12 dB S/B) 1,5 µV
Filtres standards : 3 KHz, 6 KHz, 15 KHz, 30 KHz, 110 KHz, 220 KHz
Puissance audio : 1,7 W
Impédance audio : 8 Ohms
Sortie enregistrement : 30 mV / BNC
Les démodulateurs
Le signal basse fréquence issu des récepteurs doit passer par un démodulateurs pour livrer son information qui sera exploitable par les équipes de projets.


La baie de réception du camion télémesure contient un rack de démodulateurs, permettant de démoduler les télémesures aux caractéristiques suivantes :
- IRIG 4 voies (excursions 20%)
- FSK 600 bauds 900/1500Hz [KIWI Me]
- FSK 1200 bauds 1200/2200Hz
- FSK 4800 bauds 9000/15000Hz
- FSK 9600 bauds 14400/24000Hz
- FSK 14400 bauds 21600/36000Hz
L’enregistrement audio
Le signal brut issu des récepteurs HF (signal modulé BF) est enregistré à 44Ksamples/s par la carte son d’un PC. Ce fichier son .wav permet de démoduler a posteriori la télémesure, dans le cas où la démodulation ou le décodage en direct s’est mal passé.