Sommaire | Services Pro | Musiques | Publications | Connectique | Electronique | Logiciels | Divers | Contacts | Liens | Glossaire | Historique

Electronique > Réalisations > Transmission son par laser 001

Dernière mise à jour : 28/05/2017

Article non terminé, volontairement non référencé dans les sommaires du site

Présentation

Transmettre du son avec un faisceau laser nécessite peu de moyens matériels et financiers. Un laser grand public (pointeur premier prix), une petite cellule solaire (récupérée sur une calculatrice ou sur une lampe LED de jardin) et quelques autres composants "facultatifs" suffisent.



Là où la chose devient intéressante, c'est quand on veut transmettre du son de (très) bonne qualité. Le présent article propose de réfléchir à cette quête, en comparant le rendu sonore obtenu avec des montages plus ou moins évolués.

Composants utilisés

Uniquement des composants courants et bon marché :
- diode laser prévue pour fonctionner sous 5 V, achetée 0,20 € sur la baie (en fait 1 € le lot de 5)
- cellule photovoltaïque extraite d'une lampe solaire achetée 1,50 € à Leroy-Merlin (tension de sortie nominale de 1,5 Vdc)
- connecteur jack stéréo 3,5 mm pour relier l'entrée de l'émetteur à la sortie BF d'un lecteur multimédia
- connecteur jack mono 6,35 mm ou XLR pour relier la sortie du récepteur à une enceinte amplifiée
- composants divers (également faciles à trouver) pour les étages plus évolués (voir schémas).
Remarque : tous les montages proposés ci-après ont été testés avec la même diode laser et avec la même cellule photovoltaïque. Côté réception, j'ai utilisé une fiche XLR mâle 3 points reliée à l'entrée micro d'une enceinte amplifiée. Dans la fiche XLR, j'ai inclus un condensateur de liaison de 100 nF pour arrêter la composante continue délivrée par la cellule photovoltaïque.



Jack 3,5 mm : anode diode laser reliée au "tip" (extrémité) du jack, cathode reliée au "sleeve" (masse) du jack via résistance 10 ohms.
XLR : broche 3 reliée à la masse, on est en asymétrique. Le câble de liaison n'est pas blindé, mais il est très court.

Avertissements

Si le moindre doute subsiste après lecture de cet article, ne tentez aucun de ces montages.
Un laser est dangereux, lire cette page d'avertissement concernant les lasers, avant de continuer.

Schéma 001a

C'est le montage le plus simple... et que je déconseille. La diode laser (émission) est directement raccordée à la sortie casque ou ligne d'un appareil audio. La cellule photovoltaïque (réception) est directement raccordée à l'entrée audio d'un ampli BF.



Remarques importantes :

• Ne pas relier ensemble les deux voies G et D de la prise jack reliée au laser, cela aurait pour conséquence de court-circuiter les sorties G et D de la sortie casque ou ligne sur laquelle on se raccorde.
• Je ne l'ai pas représentée sur ce schéma, mais il faut impérativement une résistance de limitation de courant en série avec la diode laser. Pour ma part j'ai câblé une résistance de 10 ohms, qui remplace celle d'origine.
• Si votre source audio est un équipement "pro", ne montez pas trop son niveau/volume de sortie. Cela pourrait endomager le laser mais aussi, dans le pire des cas, la sortie audio de l'appareil audio.

Extrait sonore [001a] en fin de page.

Ce montage présente l'avantage d'être très simple. Pas besoin d'alimentation, et aucun composant à ajouter aux deux pièces utilisées en tant qu'émetteur (laser) et récepteur (cellule photovoltaïque). Mais cette simplicité se paie par de nombreux inconvénients :

• très faible sensibilité. Il faut pousser le volume à fond côté émetteur.
• risque de griller la diode laser si l'amplitude de la source est trop élevée
• taux de distorsion très élevé

Pourquoi le son obtenu par ce type de montage est-il aussi dégradé ? La réponse est simple : le laser utilisé ici est une diode, et ce composant présente une tension de seuil. Ce qui est gênant dans le cas présent, est que :

• en-dessous de son seuil de conduction, la diode laser ne conduit pas et ne s'éclaire pas. Toute partie du signal audio dont l'amplitude n'atteint pas la tension de seuil n'est donc pas transmise.
• autour de la tension de seuil, on trouve un "coude" qui constitue une région de fonctionnement non-linéaire très marquée.
• au dessus du seuil, l'augmentation de la tension provoque une augmentation de courant et se traduit par une augmentation de la quantité de lumière émise. Dans cette zone de fonctionnement, la linéarité est meilleure, c'est donc mieux (et c'est là qu'on doit faire travailler la diode laser). Mais si on va trop haut, aïe...

Avec un circuit simplifié à l'extrème comme celui-ci, les signaux audio de faible amplitude ne sont pas transmis, ce qui explique la forte distorsion. Mais plus embêtant encore, le courant circulant dans la diode laser peut dans certains cas prendre des valeurs élevées et la faire vieillir prématurément ou même la faire griller (risque limité si branchement sur la sortie casque d'un appareil portable, risque plus grand si branchement sur la sortie casque d'une chaine hifi ou d'un distributeur audio pro). J'ai volontairement présenté ce premier schéma (plutôt inefficace) avant de passer à la suite, figurez-vous que j'ai bien réfléchi avant de lâcher ça dans la nature.

Recherche empirique du meilleur point de fonctionnement de la diode laser

Comme la diode laser ne conduit pas si la tension appliquée à ses bornes est inférieure à sa tension de seuil, il m'a semblé intéressant de rechercher sa meilleur zone de fonctionnement. Pour cela, j'ai alimenté la diode laser avec un signal audio délivré par un générateur BF (Rigol DG4062) qui permet de modifier l'amplitude du signal de sortie, mais aussi la valeur de sa composante continue (offset). La cellule photovoltaïque quant à elle était directement reliée à l'entrée d'un oscilloscope (Rigol DS1054).



L'idée était de régler le générateur BF (composante continue et amplitude du signal alternatif) jusqu'à obtenir un signal le moins distordu possible sur l'écran de l'oscilloscope. Dans un premier temps, j'ai configuré le générateur de signal pour qu'il délivre un signal de très basse fréquence (1 Hz) afin de dégrossir à l'oeil une plage de fonctionnement globalement correcte. J'en suis ainsi venu à ajuster l'offset (composante continue) à une valeur temporaire de 2,5 V, et un signal d'amplitude de 2 Vpp, ce qui au final provoquait une variation d'amplitude entre 1,5 V min et 3,5 V max aux bornes de la diode laser (pour ce test j'ai utilisé sa résistance série d'origine qui lui permet de fonctionner sous 5 V). Ensuite j'ai augmenté la fréquence du signal source à 100 Hz, et ai branché la cellule photo à mon oscilloscope.
Remarque : Pour la source audio, j'ai utilisé un signal de forme triangulaire plutôt qu'un signal de forme sinus, car avec un triangle il est plus facile de voir un début de distorsion sur les crêtes.



La suite des opérations a consisté à ajuster les paramètres du générateur BF pour avoir un signal de forme triangulaire la moins distordue possible. Les copies d'écran suivantes montrent le signal obtenu en sortie de la cellule photo pour trois configurations différentes :
- Ecran 1 (001a) -> Amplitude = 2,0 V et décalage tension continue = 2,0 V
- Ecran 2 (001b) -> Amplitude = 2,0 V et décalage tension continue = 2,5 V
- Ecran 3 (001c) -> Amplitude = 3,0 V et décalage tension continue = 3,5 V



Le plus rigolo (qui je l'avoue m'a un peu surpris dans un premier temps) a été le résultat obtenu quand je me suis déplacé entre la fenêtre et le proto pour déplacer ma tasse de café. A ce moment, l'amplitude du signal a fortement grimpée, passant de 8 mVpp à plus de 40 mVpp !
- Ecran 4 (001d) -> Amplitude = 2,0 V et décalage tension continue = 4,0 V, avec lumière du jour normale
- Ecran 5 (001e) -> Amplitude = 2,0 V et décalage tension continue = 4,0 V, avec lumière du jour atténuée



Le moindre déplacement de ma personne dans la pièce et la moindre apparition d'un nuage, se traduisait par une très forte fluctuation du signal de sortie, à une fréquence nulle ou très faible (quelques Hz). Dans le domaine audio, cela correspond à une composante continue et à des infrasons qu'il faut impérativement filtrer avec un filtre coupe-bas (ou passe-haut si vous préférez). On peut déjà noter qu'en atténuant la quantité de lumière ambiante reçue sur la cellule photovoltaïque, le rapport signal sur bruit est nettement amélioré (ce qui est normal).

Schéma 001b

Ce second schéma fait usage d'un transformateur BF de faible puissance et de rapport de transformation "élevé".



Le transfo peut être récupéré dans un vieil appareil audio tel qu'un interphone, poste de radio, ou encore talky-walky (le mien vient d'un vieil appareil de contrôle audio). L'idée ici est de moduler le courant circulant dans la diode laser avec une source sonore totalement isolée (par le transfo). Le rapport de transformation supérieur à 1:1 des deux bobinages primaire et secondaire du transfo BF, permet d'apporter une amplification passive qui augmente la sensibilité globale du montage, qui se contente alors d'une source audio de moindre amplitude. On ne peut pas qualifier ce montage de parfait, mais il offre déjà un bien meilleur résultat que le montage précédent. Le potentiomètre RV1 permet de régler le courant de repos qui circule dans la diode laser, en absence de modulation.



Extrait sonore [001b] en fin de page.

Les tests se sont prolongés le soir, et j'ai du allumer la lumière. Et là horreur, mon filtre coupe-bas qui ne coupe pas assez haut laisse passer les ondulations à 50 Hz (et ses harmoniques) du flux lumineux émis par l'ampoule à incandescence de mon salon. Ca m'apprendra à chosir un condo au pseudo-pif et sans faire de calcul... Pas grave, je continuerai demain quand il fera jour.

Schéma 001c

Ce schéma est censé être plus "sérieux", on verra ce qu'il en est à l'écoute. Le transformateur "vieux, encombrant et lourd" a été troqué contre quelques composants "modernes, discrets et légers".

Sécurité accrue pour le laser

La diode laser n'aime pas trop qu'on dépasse la valeur de son courant nominal, cela diminue sa durée de vie ou la fait passer à trépas, dans le pire des cas. Il est donc conseillé de limiter ce courant de façon dynamique, en arrêtant de suivre la modulation audio si son amplitude dépasse un certain seuil. Une telle limitation est facile à réaliser avec de simples diodes utilisées en écrêteuse, installées dans l'étage d'entrée. Certes, en cas d'écrêtage du signal audio, le son est fortement distordu, il y a création d'harmoniques indésirables et ce n'est pas chouette à entendre. Mais la bonne santé de la diode laser est préservée. C'est donc le procédé que j'ai utilisé.



Extrait sonore [001c] en fin de page.

Autres pistes et amélioration du rapport signal/bruit

La notion de qualité sonore repose sur plusieurs critères, dont l'un d'eux est le rapport signal sur bruit. Le signal étant ce qui nous intéresse (le son qu'on transmet) et le bruit étant ce qu'on entend en absence de signal utile (bruit de fond, souffle, parasites). Quand la diode laser est éteinte (aucune transmission de son utile), le capteur de lumière (cellule photovoltaïque utilisée ici) n'est malheureusement pas "en attente". Elle reçoit en permanence des signaux lumineux (et non lumineux) qui se révèlent être de formidable sources de bruit. C'est par-dessus ce bruit de fond que vient s'ajouter le signal utile porté par le laser activé. L'idéal bien sûr serait que la cellule photo ne recoive que le spot du faisceau laser, et rien d'autre. Ce point peut facilement être amélioré en plaçant la cellule photo au fond d'une boîte allongée. Ce n'est pas parfait mais cela atténue déjà beaucoup la captation de la lumière ambiante et le bruit qui en résulte. L'inconvénient s'il en est, est que le système devient plus directif et qu'il est plus délicat de pointer le faisceau vers sa cible. Deux solutions viennent rapidement à l'esprit pour améliorer le bilan de transmission: utiliser un laser plus puissant. Contrairement à ce qu'on pourrait penser, le choix d'une cellule photovoltaïque "plus sensible" n'est pas forcément une bonne solution. Outre le choix du laser d'émission et de la cellule photo de réception, on peut aussi moduler de différentes manières le faisceau laser.

Cellule photovoltaïque ou autre type de capteur ?

Dès l'instant où le circuit de réception nécessite une alimentation pour "traiter" les signaux reçus, on est en droit de se demander si un type de capteur autre qu'une cellule photovoltaïque ne pourrait pas convenir. Une photodiode ou un phototransistor, un transistor décapsulé pour l'occasion ou même pourquoi pas... une LED. En fait, tout capteur réagissant à la lumière est à priori un bon candidat pour des essais. Mais on sait déjà qu'une LDR (photorésistance) ne se placera pas en haut du podium à cause de sa trop célèbre lenteur de réaction. Un essai intéressant consiste à câbler un phototransistor ou une photodiode sur l'entrée micro d'un PC ou d'un smartphone (en inverse, anode diode à la masse). Une telle entrée micro délivre une tension d'alimentation prévue pour alimenter une capsule electret, cette tension peut aussi, pourquoi pas, polariser un autre type de composant.

Modulation d'amplitude

La modulation d'amplitude est celle qui a été utilisée pour tous les montages décrits ci-avant. C'est la méthode la moins performante, mais aussi la plus facile à mettre en oeuvre. Comme on l'a vu, cette méthode consiste à moduler (faire varier) l'amplitude du signal lumineux en fonction de l'amplitude du signal audio source. Ce mode de modulation donne un résultat qui dépend très fortement de la linéarité de l'émetteur et du récepteur, et de la quantité de lumière qui frappe la cellule de réception. Il ne faut pas que les crêtes négatives du signal audio descendent trop bas pour ne pas provoquer des "trous de lumière", et il ne faut pas que les crêtes positives montent trop haut pour ne pas provoquer de sur-intensité dans la diode laser. Si le point de repos est bien fixé (entre min et max permis) alors on peut espérer une qualité sonore très convenable. L'inconvénient majeur de ce procédé est sa forte sensibilité aux "lumières parasites". Un autre inconvénient est qu'on ne peut transmettre qu'un flux audio (mono).

Modulation de fréquence

Moduler en fréquence un faisceau lumineux est une autre affaire, et bien entendu on ne va pas chercher à modifier la longueur d'onde du faisceau laser. Mais on peut tout à fait envisager de transmettre un signal "porteur" (on appelle cela une porteuse) dont la fréquence est liée à l'amplitude du signal audio à transmettre (ce principe est utilisé pour les émetteurs radio en diffusion FM, dans lesquels l'onde porteuse HF est déviée de sa position centrale au rythme des variations d'amplitude du programme audio à transmettre). On peut, pour notre application "amateur", transmettre un faisceau lumineux dont l'amplitude reste constante mais dont la fréquence varie. Le récepteur, dans ces conditions, ne s'intéresser qu'aux variations de fréquence du spot lumineux reçu, sans tenir compte des variations d'amplitude. Cela permet de gagner en rapport signal sur bruit (moins de bruit de fond et de parasites) mais les circuits d'émission et de réception requis sont plus complexes.

Modulation de largeur d'impulsion (PWM)

Un autre procédé de transmission intéressant consiste à faire varier le rapport cyclique d'un signal "numérique" transmis à fréquence fixe, en fonction de l'amplitude du signal audio à transmettre (procédé "de base" des amplis BF travaillant en classe D). Le récepteur, dans ces conditions, ne s'intéresse qu'à la valeur moyenne du signal numérique reçu, qui augmente quand le rapport cyclique tend vers 100%, et qui faiblit quand le rapport cyclique diminue (tend vers 0%). Ce procédé, même s'il fait appel à des moyens amateur, peut donner des résultats convenables et garantir une transmission plus robuste.

Transmission d'un signal audionumérique

Et puis tant qu'à faire, pourquoi ne pas directement envisager une transmission tout numérique en utilisant un protocole existant et éprouvé, en stéréo ou même en surround (5.1 ou 7.1) ? Après tout, un canal de transmission optique tel qu'une liaison S/PDIF optique (avec connecteurs TOSLINK) ne fait rien d'autre que de transmettre de la lumière hâchée ! J'ai déjà une petite idée de bidouille pour pas cher, qui devrait en théorie très bien fonctionner... (vive la théorie).

Extraits sonores

Un seul et même fichier audio de test a été utilisé pour tous les montages. Ce fichier comporte trois extaits sonores de nature différente : musique rythmée et peu dynamique, voix parlée, et quelques notes de piano et flute.

Extrait sonore [001a]
Extrait sonore [001b]
Extrait sonore [001c]

Historique

xx/xx/2017
- Première mise à disposition