De Marconi au SDR

Au cours des 190 dernières années, la radio a traversé 9 grandes architectures de transmission et de réception successives — de la simple bobine et de l’antenne filaire jusqu’au traitement numérique intégral du signal. Voici cette histoire racontée en quelques dates clés, des débuts de la télégraphie sans fil jusqu’au SDR moderne, et à ce qui se profile avec l’intelligence artificielle.

Tout d’abord comparons par exemple :

Le cockpit d’un ancien avion.

Celui d’un avion du 21^ème siècle (Boeing 787)

La différence, c’est qu’avant tout était analogique, tandis que maintenant tout est numérique. En radio, l’histoire est comparable : au fil du 20^e siècle, l’électronique de réception a progressivement basculé vers le tout numérique. Chaque étape de cette évolution a résolu les limites de la précédente, tout en introduisant de nouveaux défis. Voyons cela en détail.

Évolution des architectures, année par année :

1832 — Les prémices : la télégraphie sans fil par conduction

L’Écossais James Bowman Lindsay fait une démonstration de télégraphie sans fil (TSF) à ses élèves — bien avant l’invention de la radio telle qu’on la connaît. Il ne s’agit pas encore d’ondes électromagnétiques rayonnées, mais de conduction électrique à travers un milieu. En 1854, il parvient à communiquer entre les villes de Dundee et Woodhaven, en Écosse, sur une distance de 3 km, en utilisant l’eau (la rivière Tay) comme milieu de conduction du signal — une première mondiale, même si le principe physique diffère de la radio par ondes qui suivra.

1901 — Marconi traverse l’Atlantique

Guglielmo Marconi réalise la première réception radio transatlantique le 12 décembre 1901, entre Poldhu, dans le sud du comté de Cornouailles (Angleterre), et Signal Hill, près de Saint-Jean de Terre-Neuve (Canada) — une simple lettre « S » en Morse, captée à plus de 3 400 km de distance grâce à une antenne suspendue à un cerf-volant. Cet exploit lui vaudra le prix Nobel de physique en 1909, partagé avec l’Allemand Karl Ferdinand Braun (l’inventeur du tube cathodique).
Il faut noter que la toute première démonstration de communication radio à courte distance avait déjà été réalisée en 1893 par Nikola Tesla, mais c’est bien l’exploit transatlantique de Marconi qui a démontré au monde le potentiel de portée quasi illimitée de la radio.

À cette époque pionnière, un récepteur radio se résumait à trois éléments : une antenne la plus réceptive possible, un détecteur (souvent un cristal), et un haut-parleur ou un casque.

1907 — La naissance de l’amplification électronique

L’Américain Lee De Forest invente la triode (l’Audion), la première lampe amplificatrice à cathode chaude. C’est une révolution : pour la première fois, un signal radio faible peut être amplifié électroniquement plutôt que simplement détecté. Cette invention posera les fondations de toute l’industrie radio-électronique du 20^e siècle, bien au-delà de la radio elle-même.

1912 — Le récepteur à réaction (régénératif)

Une nouvelle étape apparaît, avec ses caractéristiques propres :

• Le réglage de fréquence se fait par réaction positive, combinée à la détection par cristal, ce qui donne un net regain de sensibilité par rapport aux récepteurs simples.
• La détection se fait d’abord en AM, puis, avec la découverte de nouveaux modes de transmission, en BLU et enfin en CW.
• Le défaut majeur de ce système : il fallait ajuster constamment la réaction pour rester au bord de l’oscillation, ce qui le rendait très instable et délicat à manier.
• À cette époque, la seule propagation connue et exploitée était l’onde de sol — les ondes ionosphériques ne seront comprises que plus tard.
• Ci-contre : le schéma simplifié d’un émetteur de cette période.

1916 — Complexité croissante, stabilité en question

Quatre ans plus tard, toujours à la recherche d’améliorations, le système gagne en complexité : plusieurs étages d’amplification RF successifs, avec une sélectivité répartie sur chaque étage plutôt que concentrée en un seul point.

Cette évolution nécessite l’utilisation de tubes plus nombreux et plus coûteux. Mais le système reste instable et sujet à des oscillations parasitaires, ce qui rend le réglage difficile et la sensibilité finale plutôt médiocre — un bon exemple de progrès technique qui déplace le problème plus qu’il ne le résout entièrement.

1922 — L’ère du Super-Régénératif (récepteur homodyne)

Vient ensuite l’ère du Super-Régénératif, aussi appelé récepteur homodyne, dont voici le schéma de base :

Ce récepteur DCR (Direct Conversion Receiver), aussi connu comme HOMODYNE, démodule le signal RF en utilisant un mélangeur piloté par un oscillateur local réglé exactement sur la fréquence porteuse du signal à recevoir — sans passer par une fréquence intermédiaire.

• Le système est plus facile à régler et plus stable que le récepteur à réaction.
• Mais il n’y a toujours pas de fréquence intermédiaire (FI), ce qui limite les possibilités de filtrage.
• Les ingénieurs utilisaient un circuit Quench (circuit d’extinction) pour le stabiliser.
• Cette architecture était idéale pour les signaux à large bande comme la FM, mais mal adaptée à la CW ou au BLU.
• Des problèmes de surmodulation apparaissaient dès que des stations puissantes étaient présentes sur la bande.
• Malgré ces limites techniques, la radio grand public progresse vite : en décembre 1921, Radio Tour Eiffel diffuse son premier concert public, l’un des tout premiers exemples de radiodiffusion de divertissement en France.

1928 — Le Superhétérodyne : l’architecture qui a duré un siècle

De mieux en mieux ! Voici l’ère du Superhétérodyne. C’est le même principe de schéma que notre vieille TV (grâce à l’invention du tube cathodique par Karl Braun) ou que l’autoradio. Le même schéma se retrouve aussi dans les scanners qui existent toujours aujourd’hui, et dans nos émetteurs-récepteurs classiques — Hilberling, Kenwood, Icom, Ten-Tec, Elecraft et Yaesu, dont beaucoup de modèles reposant sur ce principe sont toujours sur le marché aujourd’hui, plus d’un siècle après son invention.

Regardez bien ce schéma, il est très instructif. On y voit plusieurs goulots d’étranglement et sources de distorsion potentielles. Mais partie de rien, cette architecture évoluera énormément au fil des décennies suivantes, gagnant en étages de conversion et en filtrage pour repousser ses limites.

Pendant la Seconde Guerre mondiale, les laboratoires des belligérants perfectionnent de nouvelles applications militaires. Des milliers d’émetteurs-récepteurs mobiles équipent chars, avions et postes de commandement. Le talkie-walkie fait son apparition en 1941, sous la forme d’un émetteur-récepteur radio réellement portatif, destiné aux liaisons radiophoniques sur de courtes distances. Déjà s’annonce l’ère de la miniaturisation, avec la découverte du transistor en 1947, qui remplacera progressivement le tube électronique dans la plupart des usages.

Après-guerre, des milliers d’émetteurs et de récepteurs militaires déclassés permettent aux radioamateurs de s’équiper via les stocks de « surplus » — les « Fug » allemands et les « command set » américains notamment. La radio se démocratise et le récepteur grand public se standardise autour de l’architecture superhétérodyne.

1980 — L’âge d’or commercial du superhétérodyne

Avec le recul de l’après-guerre, beaucoup de choses se sont améliorées : le nombre de radioamateurs dans le monde augmente en flèche. Les radios pour ce hobby deviennent plus sophistiquées, et le secteur devient un vrai marché à but lucratif. Icom, Yaesu et Kenwood commencent à dominer la fabrication d’émetteurs-récepteurs amateurs. De nouvelles technologies de filtrage voient le jour, à des prix de plus en plus abordables.

« Par rapport à un système à triple conversion typique, le système à double conversion est plus difficile à mettre en œuvre, mais il réduit considérablement la distorsion du signal et fournit au processeur DSP un signal RF de haute fidélité».

C’est ce que déclaraient les ingénieurs d’ICOM à propos de leur dernier-né de l’époque, l’ICOM-7600 — signe que même au sommet de sa maturité, l’architecture superhétérodyne continuait d’être affinée.

1999 — Les limites de l’analogique atteintes

À la fin des années 1990, les ingénieurs sont toujours confrontés à de la distorsion introduite à chaque étage de filtrage, avec des inconvénients multiples :

Plusieurs problèmes persistaient :

• Du bruit (parfois appelé « CRUD » par les ingénieurs anglo-saxons) était amplifié à chaque étage successif.
• Seuls les signaux au niveau de la FI finale pouvaient réellement être ajustés finement.
• La vue du spectre restait limitée à une petite fenêtre autour de la fréquence d’écoute.
• Pour obtenir un meilleur filtrage, il fallait multiplier les filtres à quartz — coûteux et encombrants.

Au final, la technologie héritée de l’analogique avait atteint ses limites pratiques : chaque amélioration marginale de sélectivité demandait de plus en plus de filtres coûteux. Améliorer la gamme dynamique devenait une entreprise onéreuse, d’autant que les composants analogiques de qualité devenaient eux-mêmes plus rares et plus chers à obtenir. Chaque étage supplémentaire accentuait la distorsion et le bruit interne du système : il fallait beaucoup d’euros pour une amélioration mineure. Il fallait trouver une approche radicalement différente.

C’est là qu’intervient un précurseur clé : dès 1991, le consultant scientifique américain Joseph Mitola, qui avait travaillé comme « Program Manager » pour la défense américaine (en passant par ITT puis IBM), propose d’appliquer au domaine civil des concepts qu’il avait développés dans un cadre militaire. Il se spécialise sur ce qu’il baptisera le SDR (Software Defined Radio) et, plus tard, la Radio Cognitive — un concept qu’il formalisera pleinement en 1999.

En deux mots, la Radio Cognitive (RC) est l’approche qui permet aux objets communicants et à leurs réseaux associés d’intégrer l’intelligence nécessaire pour prendre conscience des besoins de l’utilisateur et adapter automatiquement leur comportement en conséquence — une idée qui, avec le recul, préfigure directement les usages de l’IA en radio qu’on commence tout juste à voir aujourd’hui.

2000 — Les premiers SDR

C’est à cette date que les premiers SDR grand public apparaissent. Le schéma ressemblait à ceci :

Dans les émetteurs et récepteurs SDR, le traitement du signal — filtrage, démodulation, décodage — est réalisé numériquement, sous forme digitale, à l’aide de programmes informatiques tournant dans des circuits spécialisés (ASIC) ou directement sur un PC. On parle alors de Radio Logicielle, ou plus couramment de SDR (Software Defined Radio) — une bascule aussi radicale, à son échelle, que le passage du cockpit analogique au cockpit numérique évoqué en introduction.

Voici les caractéristiques des premiers SDR :

Les avantages :

• Une distorsion minimisée grâce à un seul mélangeur (au lieu de plusieurs étages successifs).
• Un signal plus clair, qui « sonne » mieux, donc moins de fatigue d’écoute sur la bande.
• À performance égale, un prix nettement inférieur aux technologies classiques à multiples étages.
• Un bruit amplifié en une seule étape plutôt qu’à chaque conversion.
• Une capacité à couvrir jusqu’à 192 kHz de spectre en temps réel (une révolution pour la visualisation panoramique).
• Une interface graphique évolutive et adaptable, contrairement aux boutons figés des radios analogiques.
• Une faible puissance de traitement offrant paradoxalement une plage dynamique élevée et une bonne atténuation des interférences.
• Une détection tous modes possible dans le même matériel : AM, FM, BLU, CW…

Les inconvénients :

• Le rejet de la fréquence image reste difficile à obtenir parfaitement.
• Une fréquence image mal rejetée pollue le spectre affiché.
• Un coût supplémentaire lié à la nécessité d’un PC suffisamment puissant.
• Une latence perceptible apparaît, particulièrement gênante en CW.

Deux mots sur la problématique de I & Q :

Les architectures SDR reposent sur deux signaux, I (In-phase) et Q (Quadrature), qui doivent idéalement avoir des amplitudes rigoureusement égales et un déphasage exact de 90°. Dans la pratique, ces conditions ne sont jamais parfaitement réunies : il y a toujours de légers écarts d’amplitude et de phase dans la bande passante, et ces écarts ne sont pas constants sur toute la largeur de bande.

Pour obtenir une suppression de la bande latérale non désirée de l’ordre de 40 dB, le calcul montre que la précision sur le déphasage de 90° (dans une bande de fréquence typique de 300 à 3000 Hz en audio) doit être de l’ordre d’un demi-degré près — une exigence redoutable.

La littérature technique sur le sujet indique qu’un déphaseur analogique parfaitement linéaire est en pratique impossible à réaliser. Une des solutions retenues consiste à introduire, dans chaque voie I et Q, un filtre passe-tout dont la phase varie de façon linéaire avec le logarithme de la fréquence entre 300 et 3000 Hz. En calculant judicieusement ces filtres, on obtient une différence de phase quasi constante de 90° entre les sorties. Plus les filtres comportent de pôles, plus on reste proche de 90° sur toute la bande, et plus la réjection de la bande latérale indésirable devient efficace.

2009 — Vers l’échantillonnage direct

De nombreuses améliorations apparaissent : une meilleure clarté du signal, la possibilité de voir simultanément plusieurs bandes de largeurs variables avec plusieurs récepteurs indépendants, et une plage dynamique extrêmement élevée, capable de fonctionner même dans les pires conditions (IP3 supérieur à +50 dB, plage dynamique supérieure à 125 dB).

Le SDR gagne alors une extrême flexibilité grâce à la programmation logicielle — l’« ultime SDR », capable de faire évoluer ses capacités par simple mise à jour, un avantage qui aura des répercussions sociales et économiques durables sur toute l’industrie.
L’inconvénient majeur reste l’énorme bande passante de données nécessaire entre la radio et le PC. Mais les ADC (convertisseurs analogique-numérique) deviennent plus rapides et moins chers ; l’échantillonnage direct RF devient l’approche idéale pour le SDR, éliminant encore davantage de composants analogiques au profit du traitement numérique. Le volume de données à traiter devient immense — de l’ordre de 122 à 350 millions d’échantillons de 16 bits par seconde — et le traitement DSP se fait désormais en externe. Mais cela nécessite en retour un PC très rapide, capable d’absorber ce flux proche du Big Data.

2012 — L’échantillonnage direct à l’antenne

Voici l’évolution suivante — certainement pas la dernière à l’époque — qui apporte encore de nouvelles avancées.

Caractéristiques générales de cette évolution :

• Le traitement du signal, de l’antenne jusqu’à la démodulation, devient entièrement numérique.
• Un mixage numérique via des filtres CORDIC/FIR permet d’obtenir une largeur de bande utilisable ajustable.
• La distorsion est minimisée grâce à une conversion analogique-numérique effectuée directement au niveau de l’antenne (ADC@antenna), pour une meilleure clarté du signal.
• Il devient possible d’avoir plusieurs récepteurs et plusieurs panadapters simultanés, de largeurs différentes, pour surveiller plusieurs bandes à la fois.
• La plage dynamique atteint des niveaux extrêmement élevés.
• La flexibilité par programmation logicielle continue de progresser.
• Un PC standard suffit désormais, puisqu’il n’a plus qu’à afficher la vidéo — l’essentiel du traitement se fait dans le matériel dédié.
• La bande passante nécessaire entre le PC et la radio diminue à un niveau acceptable.
• Revers de la médaille : concevoir et écrire les logiciels de traitement devient techniquement beaucoup plus exigeant.

Voici le schéma que nous obtenons (comparez-le au tout premier schéma SDR présenté plus haut). Grâce à des processeurs internes toujours plus rapides, désormais logés dans le DSP embarqué plutôt que dans le PC, un simple regard sur ce schéma suffit à comprendre l’ampleur du chemin parcouru. Les SDR à conversion directe de la RF ont aujourd’hui bien plus d’adeptes que de détracteurs.

Pour s’en convaincre, voici une comparaison de Panadapter lors de la réception d’un signal proche du niveau de bruit. On constate que le Flex-6700 présente un plancher de bruit inférieur à celui de l’IC-7800, voire même à celui du Hilberling — pourtant bien plus onéreux. Cela permet de sortir plus facilement une station faible du bruit ambiant : le filtrage numérique est tout simplement plus performant.

La qualité d’un SDR repose jusqu’à 80% sur la qualité de son logiciel (DSP, filtres, démodulation…).

On distingue les logiciels propriétaires, comme Perseus, PowerSDR de FlexRadio, SmartSDR ou Studio et SpectraVue de RFSpace ; et les logiciels libres, comme SDRMAX de N8VB, CuSDR de DL3HVH, SDR#, HDSDR, WinRadio, Rocky de VE3NEA, SDR Radio ou encore GNU Radio.

SDR en HF : les grands projets aboutis

Au moment de l’écriture originale de cet article, quatre grands projets de transceivers SDR HF avaient atteint une maturité commerciale :

La série FLEX-6000, avec les modèles 6300/6500/6700 :

L’ANAN, série 10/100/100D/200D :

L’Elad FDM-DUO :

Le SunSDR MB1 :

Pour terminer, deux mots sur le DSP :

Le DSP, qu’on pourrait traduire par « Processeur de Traitement du Signal Numérique », se distingue des autres domaines de l’informatique par le fait que les données traitées sont des signaux issus du monde réel — vibrations, images, ondes sonores, signaux radio.

Apparu dans les années 1960-1970 avec le développement de l’informatique, le DSP est devenu aujourd’hui une connaissance de base incontournable que tout ingénieur radio se doit de posséder. Il correspond à l’ensemble des techniques mathématiques et algorithmiques utilisées pour manipuler les signaux une fois qu’ils ont été convertis sous une forme digitale.

Et depuis 2012, jusqu’à aujourd’hui : le SDR rencontre l’intelligence artificielle

Depuis la rédaction initiale de cet article, l’histoire ne s’est évidemment pas arrêtée. Le principe de l’échantillonnage direct à l’antenne s’est généralisé et démocratisé : on le retrouve aujourd’hui aussi bien dans des transceivers grand public de plusieurs milliers d’euros (Flex-6000, ANAN, SunSDR2 et leurs successeurs) que dans de petites clés RTL-SDR à quelques dizaines d’euros utilisées pour recevoir des satellites météo, comme on l’a vu sur ce site.

Mais la vraie rupture de ces dernières années se situe ailleurs : dans l’arrivée de l’intelligence artificielle directement dans la chaîne de traitement du signal. Là où le DSP « classique » applique des filtres et des algorithmes mathématiques fixes, définis une fois pour toutes par un ingénieur, les nouveaux outils basés sur des réseaux de neurones apprennent à distinguer un signal utile du bruit à partir d’exemples réels — une logique radicalement différente.

On le voit concrètement avec des logiciels comme RM Noise, dont on a parlé sur ce site : un modèle d’IA entraîné spécifiquement sur du trafic radioamateur réel (SSB, CW) apprend à séparer la voix ou le signal Morse du bruit ambiant, avec une efficacité que les filtres DSP traditionnels peinent à égaler sur les signaux les plus faibles. C’est, d’une certaine manière, l’aboutissement — encore balbutiant — du concept de Radio Cognitive imaginé par Joseph Mitola dès 1999 : une radio qui ne se contente plus de traiter un signal selon des règles figées, mais qui s’adapte et « comprend » ce qu’elle écoute.

La prochaine étape de cette histoire s’écrit donc probablement à l’intersection du SDR et de l’IA embarquée : des filtres de réduction de bruit neuronaux tournant directement dans le matériel plutôt que dans le cloud, une identification automatique des modes de transmission, ou encore une prédiction de propagation affinée par apprentissage automatique à partir de données réelles de trafic. De la bobine et du cristal de 1901 à l’IA de 2026, le fil conducteur reste étonnamment le même : toujours mieux extraire un signal utile d’un bruit de fond qui, lui, ne disparaît jamais complètement.

Ressources pour cet article :

Réalisé grâce au partage et à la gentillesse de Howard S. White Ph.D. P. Eng., VE3GFW/K6 ex-AE6SM KY6LA.

Classification des SDR : F4dan.free.fr
Deux livres en particulier : Dspguru.com et : Dspguide.com

Profil de l'auteur

Albert ON5AM

100almu@gmail.com

Licencié Harec depuis 1990, après une pause de quelques années, j'ai renouvelé mon intérêt pour la radio, je suis particulièrement actif en HF, appréciant le FT8, les contest et la chasse au Dx. Passionné d'informatique, je suis convaincu que le monde des radioamateurs doit évoluer avec les avancées technologiques, notamment avec l'émergence de l'IA dans nos shack.