Lorsqu’on construit un récepteur ou un émetteur HF, une question arrive très rapidement : comment produire une fréquence stable et facilement réglable ?

Pendant longtemps, la réponse était le VFO analogique : bobine, condensateur variable, transistor oscillateur et beaucoup de précautions pour éviter que la fréquence ne dérive avec la température. Puis sont arrivés les synthétiseurs numériques et les DDS.

Aujourd’hui, un minuscule circuit à quelques euros est devenu extrêmement populaire dans les montages radioamateurs : le Si5351.

Associé à un Arduino, un ESP32 ou un RP2040, il permet de construire très simplement un VFO numérique couvrant une bonne partie du spectre utilisé par nos montages.

Le Si5351, c’est quoi exactement ?

Le Si5351 est avant tout un générateur d’horloges programmable par I²C. À l’origine, il n’a d’ailleurs pas été conçu spécifiquement pour la radio.

Son rôle est de remplacer plusieurs quartz, oscillateurs et circuits PLL par un seul composant programmable. Selon les versions, il peut disposer de plusieurs sorties indépendantes. Le petit Si5351A à trois sorties CLK0, CLK1 et CLK2 est celui que l’on rencontre le plus souvent sur les modules destinés aux Arduino.

À partir d’un quartz, généralement de 25 ou 27 MHz, le circuit peut synthétiser de très nombreuses fréquences. Les versions récentes du composant sont spécifiées jusqu’à 200 MHz, même si, pour nos applications radioamateurs, il est souvent préférable de rester bien en dessous de cette limite.

Le Si5351A se pilote simplement en I²C et offre trois sorties de fréquence programmables.

Non, le Si5351 n’est pas un DDS !

C’est une confusion fréquente.

Un AD9850, AD9851 ou AD9833 est un DDS – Direct Digital Synthesizer. Le Si5351 utilise une architecture différente basée sur des PLL et des diviseurs MultiSynth.

On peut simplifier son fonctionnement ainsi :

Quartz → PLL → MultiSynth → diviseur → sortie CLK

Architecture simplifiée du Si5351 : le quartz alimente les PLL, puis les MultiSynth génèrent les trois fréquences de sortie.

Le quartz fournit la référence. Une PLL génère une fréquence interne élevée, puis les circuits MultiSynth effectuent les divisions nécessaires pour obtenir la fréquence demandée.

Le Si5351 possède notamment deux PLL internes, PLLA et PLLB. Les rapports de multiplication et de division peuvent être fractionnaires, ce qui autorise un choix extrêmement fin des fréquences de sortie.

Les divisions entières sont néanmoins intéressantes lorsque cela est possible, notamment pour réduire le jitter ; la documentation de la bibliothèque Adafruit recommande d’ailleurs de privilégier les valeurs entières lorsque l’application le permet.

Trois sorties qui changent beaucoup de choses

C’est probablement ce qui explique une partie du succès du Si5351 chez les radioamateurs.

Imaginons un petit transceiver HF.

Nous pourrions utiliser :

CLK0 → VFO
CLK1 → BFO
CLK2 → second oscillateur local

Le microcontrôleur peut alors modifier ces fréquences par logiciel.

Ajoutons un encodeur rotatif, quelques boutons et un petit écran OLED : nous obtenons déjà les bases d’un VFO moderne avec pas de 10 Hz, 100 Hz ou 1 kHz, mémoires, RIT, décalage de fréquence intermédiaire, changement de bande, etc.

Et tout cela sans modifier la partie HF du montage.

Attention : ce n’est pas une belle sinusoïde

Il faut cependant éviter un piège.

Les sorties du Si5351 sont des signaux numériques proches du carré, et non les belles sinusoïdes que l’on pourrait attendre d’un générateur RF de laboratoire.

Or un signal carré contient de nombreuses harmoniques impaires :

fondamentale + 3e harmonique + 5e + 7e…

Le signal carré du Si5351 contient de nombreuses harmoniques : un filtrage permet d’obtenir un signal RF beaucoup plus propre.

Un signal produit à 7 MHz possède donc également des composantes à 21, 35 MHz, etc.

Cela n’empêche absolument pas d’utiliser le Si5351 comme oscillateur local pour attaquer certains mélangeurs numériques ou logiques. En revanche, si son signal doit être utilisé dans une chaîne d’émission, filtrage et adaptation deviennent indispensables.

Le niveau de sortie peut également être programmé. Les bibliothèques courantes proposent quatre valeurs de courant : 2, 4, 6 ou 8 mA.

Et la précision ?

Le Si5351 ne peut évidemment pas être plus précis que sa référence.

Si notre quartz possède une erreur de 10 ppm, à 28 MHz cela représente :

28 000 000 × 10 / 1 000 000 = 280 Hz

Pas vraiment négligeable !

Heureusement, il est possible de calibrer le Si5351 par logiciel. Une méthode courante consiste à générer par exemple 10 MHz, mesurer précisément la fréquence obtenue puis introduire un facteur de correction dans le programme. La bibliothèque Etherkit prévoit directement cette possibilité.

Pour obtenir une meilleure stabilité thermique, on trouve également des modules utilisant un TCXO plutôt qu’un simple quartz.

C’est particulièrement intéressant pour les modes numériques et les montages nécessitant une excellente stabilité.

Arduino + Si5351 : un couple presque idéal

Le pilotage est particulièrement simple puisque le Si5351 communique en I²C. Il suffit donc essentiellement de SDA et SCL entre le microcontrôleur et le module.

Des bibliothèques existent déjà pour Arduino et permettent de demander une fréquence sans avoir à calculer soi-même tous les paramètres des PLL et MultiSynth. Adafruit propose par exemple une bibliothèque et des exemples de câblage et de programmation ; Etherkit maintient également une bibliothèque Si5351 très utilisée dans les projets radioamateurs.

C’est précisément ce qui rend ce composant aussi séduisant : derrière une apparente simplicité se cache un véritable synthétiseur de fréquences.

Un composant presque incontournable pour expérimenter

Le Si5351 n’est pas parfait. Son signal carré impose de surveiller les harmoniques, le jitter peut devenir important dans certaines configurations et la stabilité dépend fortement de la référence utilisée.

Mais son faible prix, ses multiples sorties et son pilotage extrêmement simple compensent largement ces limitations.

Pour quelques euros, nous disposons finalement d’une petite boîte à fréquences programmable capable de devenir VFO, BFO, oscillateur local ou générateur de laboratoire expérimental.

Et maintenant que nous savons ce qu’il contient, il reste une chose beaucoup plus amusante à faire : prendre un Si5351, un Arduino, un encodeur et un écran OLED… et construire notre propre VFO HF.

Dans nos shacks, la bonne vieille alimentation secteur 13,8 V est de plus en plus souvent épaulée par une batterie. Alimentation de secours, fonctionnement autonome, station portable, solaire ou simplement envie de rester à l’antenne pendant une coupure : les raisons ne manquent pas.

Mais installer 50 ou 100 Ah sous la table n’est pas anodin. Une batterie LiFePO₄ de 12,8 V et 100 Ah stocke environ 1,28 kWh et peut fournir un courant de court-circuit considérable.

Entre lithium-ion, LiFePO₄ et désormais sodium-ion, quelle technologie choisir si notre priorité est la sécurité ?

LiFePO₄ : c’est aussi du lithium-ion !

Commençons par lever une ambiguïté. Le terme lithium-ion désigne une famille de technologies, dont le LiFePO₄ fait lui-même partie.

Dans cet article, lorsque nous parlerons de « Li-ion classique », nous désignerons essentiellement les chimies NMC (nickel-manganèse-cobalt) et NCA (nickel-cobalt-aluminium), très répandues dans les appareils portables et véhicules électriques.

Nous comparerons donc trois familles :

• Li-ion NMC/NCA ;
• LiFePO₄, également appelé LFP ;
• sodium-ion, ou Na-ion.

Toutes fonctionnent sur un principe électrochimique comparable : des ions circulent entre deux électrodes pendant la charge et la décharge.

Li-ion, LiFePO₄ et sodium-ion : trois chimies aux caractéristiques et niveaux de sécurité différents.

Pourquoi une batterie peut-elle prendre feu ?

Le phénomène le plus redouté est l’emballement thermique.

Une cellule défectueuse, surchargée, fortement chauffée ou victime d’un court-circuit interne peut commencer à produire davantage de chaleur qu’elle ne peut en évacuer. Cette température accélère les réactions chimiques internes qui produisent à leur tour encore plus de chaleur.

On obtient alors une réaction en chaîne pouvant conduire à un dégagement de gaz, une rupture de la cellule et éventuellement un incendie.

La chimie employée joue donc un rôle majeur, mais elle n’est qu’une partie du problème. Le BMS, le chargeur, les protections électriques et la qualité de fabrication du pack sont tout aussi importants.

Li-ion NMC/NCA : beaucoup d’énergie dans peu d’espace

Le principal avantage des cellules NMC et NCA reste leur densité énergétique élevée. Pour une même quantité d’énergie, la batterie peut être plus petite et plus légère.

C’est particulièrement intéressant dans un ordinateur, un véhicule ou une station portable.

En revanche, leur stabilité thermique est généralement moins favorable que celle du LiFePO₄. Lorsqu’un emballement thermique se produit, les températures atteintes et l’énergie libérée peuvent être importantes.

Pour une station portable où chaque gramme compte, le NMC garde donc des arguments. Pour une batterie de 100 Ah restant toute l’année sous la table du shack, son avantage de poids devient beaucoup moins déterminant.

LiFePO₄ : le favori actuel du radioamateur

Le lithium-fer-phosphate possède une cathode particulièrement stable. Cette chimie résiste mieux aux températures élevées et présente généralement un risque d’emballement thermique inférieur à celui des cellules NMC/NCA.

Attention cependant à une idée reçue : une batterie LiFePO₄ n’est pas incombustible.

Elle contient toujours beaucoup d’énergie et généralement un électrolyte organique inflammable. Un défaut important peut donc provoquer échauffement, dégagement gazeux ou incendie.

Le LFP possède cependant un autre énorme avantage pour nous : sa tension.

Une cellule fournit environ 3,2 V nominalement. Quatre cellules en série donnent donc :

4 × 3,2 = 12,8 V.

Nous sommes pratiquement dans l’environnement électrique naturel de nos équipements radio prévus pour fonctionner autour de 13,8 V.

Ajoutons une bonne durée de vie, plusieurs milliers de cycles pour de nombreuses batteries correctement utilisées, de forts courants disponibles et une offre désormais très importante de batteries 12,8 V.

Pour le shack, le LiFePO₄ constitue donc aujourd’hui un compromis particulièrement séduisant.

Sodium-ion : le nouveau venu

Voici maintenant le concurrent qui commence sérieusement à faire parler de lui : le sodium-ion.

Son fonctionnement ressemble à celui d’une batterie lithium-ion, mais les ions lithium sont remplacés par des ions sodium.

Le sodium est abondant et largement disponible. Cette technologie peut également offrir de très bonnes performances à basse température et réduire la dépendance à certaines matières premières critiques.

Les progrès sont rapides. Les meilleures cellules sodium-ion approchent désormais des densités énergétiques qui commencent à concurrencer le LFP.

Mais attention à un raccourci fréquent :

sodium-ion ne signifie absolument pas « batterie remplie d’eau salée ».

De nombreuses cellules Na-ion utilisent elles aussi des électrolytes organiques. Des études expérimentales ont montré qu’elles peuvent également connaître des dégagements gazeux, des températures élevées et, dans certaines conditions, un emballement thermique.

Leur comportement dépend beaucoup de la cathode, de l’électrolyte et de la conception de la cellule.

Le sodium-ion paraît donc très prometteur pour le stockage stationnaire, mais il serait prématuré d’affirmer que toutes les batteries sodium-ion sont plus sûres que le LiFePO₄.

Li-ion, LiFePO₄ et sodium-ion : performances, durée de vie et maturité comparées.

Et pour nos 13,8 V ?

C’est ici que le LiFePO₄ marque encore des points.

Contrairement au LFP relativement standardisé dans son utilisation en « 12 V », les caractéristiques des cellules sodium-ion actuellement disponibles peuvent varier sensiblement.

Il ne faut donc jamais appliquer automatiquement le chargeur ou les réglages d’une LiFePO₄ à une batterie sodium-ion.

Le véritable gardien : le BMS

Une bonne chimie ne dispense jamais d’un Battery Management System.

Le BMS doit notamment surveiller :

• la tension de chaque cellule ;
• la surcharge et la décharge excessive ;
• le courant maximal ;
• les courts-circuits ;
• les températures ;
• l’équilibrage des cellules.

Certaines batteries empêchent également la charge lorsque la température est trop basse, fonction particulièrement importante avec le LiFePO₄.

Une excellente cellule associée à un mauvais BMS peut donc constituer une très mauvaise batterie.

N’oublions surtout pas le fusible !

Une batterie 12,8 V / 100 Ah représente :

12,8 × 100 = 1 280 Wh.

Mais lors d’un court-circuit, le danger immédiat vient surtout de l’intensité considérable que certaines batteries peuvent fournir.

Un câble trop fin peut alors devenir une véritable résistance chauffante.

Dans un shack, on prévoira donc un fusible placé aussi près que possible de la borne positive, des conducteurs correctement dimensionnés, des connecteurs prévus pour le courant utilisé et, idéalement, un dispositif permettant d’isoler rapidement la batterie.

Le BMS ne remplace pas ce fusible.

Batterie, BMS, fusible et coupe-batterie : les bases d’une alimentation 13,8 V sûre pour le shack.

Quelle valeur pour le fusible ?

Le fusible protège avant tout le câblage contre les surintensités et les courts-circuits. Son calibre doit être légèrement supérieur au courant maximal normalement consommé par l’installation, sans jamais dépasser ce que peuvent supporter les câbles, connecteurs et éléments de distribution. Une règle pratique consiste à prendre environ 125 % du courant maximal : une station consommant 22 A conduira ainsi à choisir généralement un fusible de 30 A, si le câblage le permet. Pour plusieurs appareils, on additionnera les consommations susceptibles d’être simultanées. Enfin, le fusible principal sera installé au plus près de la borne positive de la batterie ; chaque départ pourra ensuite disposer de sa propre protection adaptée.

Alors, laquelle choisir ?

Si notre critère principal est la sécurité d’une installation radioamateur fixe, le classement actuel paraît assez clair.

Le NMC/NCA reste imbattable lorsque masse et encombrement sont prioritaires. Il convient donc très bien aux applications portables, à condition de disposer d’un pack de qualité correctement protégé.

Le sodium-ion est probablement la technologie à surveiller. Son potentiel pour le stockage stationnaire est considérable et son comportement au froid est particulièrement intéressant. Mais l’offre reste encore jeune et toutes les chimies Na-ion ne présentent pas les mêmes caractéristiques.

Pour un shack fonctionnant en 12/13,8 V, le LiFePO₄ reste aujourd’hui notre choix privilégié : bonne stabilité thermique, technologie éprouvée, longue durée de vie, tension parfaitement adaptée et large disponibilité de batteries équipées d’un BMS.

Pas parce qu’une LiFePO₄ serait impossible à faire brûler, mais parce qu’elle offre actuellement l’un des meilleurs compromis entre sécurité, simplicité, performances et maturité.

Et finalement, la batterie la plus sûre restera toujours celle qui possède un bon BMS, un chargeur adapté, un fusible correctement dimensionné, un câblage sérieux et une installation propre.

La chimie fait beaucoup… mais elle ne peut pas corriger un mauvais câblage !

Quand on ouvre un ancien récepteur ondes courtes, on découvre généralement une électronique assez impressionnante : oscillateur local, mélangeur, amplificateurs FI, filtres, détecteur AM, BFO pour la SSB, circuits d’AGC… Avec le Si4732, une grande partie de cette électronique tient désormais dans un circuit intégré de quelques millimètres.

Associé à un Arduino ou un ESP32, ce petit composant permet de réaliser un véritable récepteur AM, FM et SSB. Mais comment fonctionne-t-il réellement ?

Le Si4732, c’est quoi exactement ?

Le Si4732 appartient à la famille Si47xx développée par Silicon Labs. Il s’agit d’un récepteur radio intégré utilisant massivement le traitement numérique du signal, ou DSP – Digital Signal Processing.

Son principe peut être résumé ainsi :

Antenne → étage RF → Si4732 → traitement DSP → audio

À l’intérieur de la puce se trouvent une grande partie des fonctions nécessaires à la réception : synthétiseur de fréquence, conversion du signal, filtrage, démodulation, contrôle automatique de gain et mesure du niveau reçu.

Autrement dit, le Si4732 constitue pratiquement un récepteur complet sur une seule puce.

Du superhétérodyne au Si4732 : une grande partie des fonctions analogiques traditionnelles est désormais regroupée dans une seule puce et réalisée par traitement numérique DSP.

Il ne faut toutefois pas le confondre avec un microcontrôleur. Un Arduino ou un ESP32 reste nécessaire pour commander le récepteur et gérer son interface utilisateur.

Le microcontrôleur devient le chef d’orchestre

Dans un montage typique, nous retrouvons :

Encodeur + boutons + écran
↓
Arduino / ESP32
↓ I²C
Si4732
↓
Amplificateur BF
↓
Haut-parleur

Le microcontrôleur communique avec le Si4732 par le bus I²C.

Lorsqu’on tourne l’encodeur pour passer de 7,100 MHz à 7,105 MHz, par exemple, ce n’est donc pas l’Arduino qui reçoit cette fréquence. Il transmet simplement au Si4732 une commande lui demandant de modifier sa fréquence de réception.

De la même manière, il peut commander le volume, la largeur du filtre, l’AGC ou encore le mode de réception.

Cette séparation des tâches explique pourquoi un ESP32 relativement modeste suffit pour réaliser un récepteur très complet.

Architecture d’un récepteur Si4732 : la puce assure la réception et le traitement DSP, tandis que l’ESP32 pilote les réglages, l’affichage et l’interface utilisateur.

AM et FM directement dans la puce

Le Si4732 est initialement destiné aux récepteurs grand public.

La réception AM permet notamment de couvrir les grandes ondes, les ondes moyennes et les ondes courtes, tandis que la partie FM est destinée à la radiodiffusion FM.

Mais les radioamateurs se sont surtout intéressés à une possibilité beaucoup plus séduisante : la réception SSB.

Et c’est là que l’histoire devient intéressante.

Le fameux « patch SSB »

Le Si4732-A10 peut recevoir les émissions USB et LSB grâce au chargement d’un logiciel complémentaire appelé patch.

Au démarrage du récepteur, le microcontrôleur transfère ce programme dans la mémoire RAM du Si4732.

Une fois ce patch installé, de nouvelles fonctions deviennent accessibles et le récepteur peut notamment travailler en :

LSB – Lower Side Band
USB – Upper Side Band

Cela permet évidemment d’écouter les communications radioamateurs HF.

Mais il existe une particularité : le patch est chargé en mémoire volatile.

Lorsque le Si4732 est mis hors tension, il disparaît.

Au prochain démarrage, l’Arduino ou l’ESP32 doit donc recommencer le chargement avant que la réception SSB soit disponible.

Ce mécanisme explique les quelques secondes supplémentaires que l’on peut parfois observer au démarrage de certains petits récepteurs utilisant cette puce.

Et le BFO dans tout ça ?

Les radioamateurs habitués aux récepteurs classiques connaissent bien le BFO – Beat Frequency Oscillator.

Dans un ancien récepteur, il s’agit généralement d’un oscillateur physique permettant de restituer correctement la SSB ou la CW.

Avec le Si4732, cette fonction est réalisée numériquement.

Le logiciel peut modifier très finement le décalage du BFO. On peut donc accorder précisément une station SSB sans devoir modifier directement la fréquence principale du récepteur.

C’est ce qui permet à certains montages équipés d’un encodeur de proposer deux réglages :

• accord principal de la fréquence ;
• réglage fin du BFO.

Une approche particulièrement pratique pour écouter la SSB.

Réception SSB avec le Si4732 : l’ESP32 charge le patch USB/LSB dans la mémoire du circuit, puis le BFO numérique permet d’affiner précisément l’accord de la station.

Des filtres qui n’existent plus physiquement

Autre changement spectaculaire par rapport aux anciens récepteurs : les filtres.

Autrefois, obtenir plusieurs largeurs de bande pouvait nécessiter plusieurs filtres céramiques, mécaniques ou à quartz.

Dans le Si4732, une grande partie de ce travail est effectuée par le DSP.

Le logiciel peut donc demander au circuit d’utiliser différentes largeurs de bande suivant le type de signal reçu.

Une bande relativement large conviendra à une émission AM de radiodiffusion, tandis qu’une bande plus étroite sera préférable pour une communication SSB ou CW perturbée par une station voisine.

Nous avons donc virtuellement plusieurs filtres dans un seul circuit intégré.

RSSI, SNR et AGC sont également disponibles

Le Si4732 peut également fournir au microcontrôleur différentes informations sur le signal reçu.

Le RSSI donne une indication de la puissance du signal.

Le SNR renseigne sur son rapport signal/bruit.

Ces informations peuvent être affichées sur un écran sous forme de chiffres ou d’un traditionnel S-mètre.

Le circuit possède également un AGC, contrôle automatique de gain, permettant d’adapter automatiquement le niveau du récepteur lorsque l’on passe d’un signal très faible à une station extrêmement puissante.

Jusqu’où peut-on écouter ?

Dans les réalisations radioamateurs utilisant le Si4732-A10 et le patch SSB, on rencontre couramment une couverture allant approximativement de 150 kHz à 30 MHz en AM/SSB.

Cela permet notamment d’explorer les bandes :

160 m, 80 m, 60 m, 40 m, 30 m, 20 m, 17 m, 15 m, 12 m et 10 m.

À cela s’ajoute la bande de radiodiffusion FM, typiquement autour de 64 à 108 MHz suivant la configuration utilisée.

Un minuscule circuit peut donc couvrir une partie considérable du spectre radio intéressant l’écouteur et le radioamateur.

Est-ce vraiment un SDR ?

Voilà une question intéressante.

Le Si4732 utilise bien du traitement numérique du signal, mais il ne faut pas pour autant le comparer directement à un RTL-SDR, un SDRplay ou un Airspy.

Avec ces véritables récepteurs SDR, le logiciel peut généralement récupérer les signaux I/Q et analyser simultanément une portion relativement importante du spectre.

C’est notamment ce qui permet d’obtenir un spectaculaire waterfall panoramique.

Avec le Si4732, le DSP reste essentiellement enfermé dans la puce. Nous lui demandons de recevoir une fréquence et il nous fournit le signal audio ainsi que différentes informations sur la réception.

On pourrait presque dire :

le Si4732 est une radio utilisant un DSP plutôt qu’un SDR ouvert sur l’extérieur.

Cette différence est importante.

Pourquoi voit-on autant de récepteurs Si4732 ?

Le succès de cette puce auprès des amateurs s’explique facilement.

Avec :

un Si4732 + un ESP32 + un écran TFT + un encodeur + quelques boutons + un amplificateur BF

on peut construire un petit récepteur AM/FM/SSB étonnamment performant.

C’est le principe que l’on retrouve derrière de nombreux récepteurs portables modernes et dans différentes réalisations personnelles.

La bibliothèque Arduino développée par PU2CLR a également énormément contribué à populariser cette famille de circuits. Elle simplifie considérablement le pilotage du Si4732 et la gestion du patch SSB.

Tout n’est pourtant pas dans la puce

Il serait tentant de croire qu’il suffit de raccorder une antenne au Si4732 pour obtenir immédiatement un excellent récepteur HF.

La réalité est évidemment un peu différente.

La qualité finale dépend énormément de ce que l’on place autour du circuit : adaptation d’antenne, filtrage RF, alimentation propre, implantation du circuit imprimé, blindage et découplage.

Un ESP32, un convertisseur DC/DC ou même un écran TFT peuvent générer suffisamment de parasites pour dégrader fortement la réception des signaux faibles.

Deux récepteurs utilisant exactement le même Si4732 peuvent donc présenter des performances très différentes.

C’est précisément ce qui rend cette petite puce intéressante pour l’expérimentation radioamateur.

Une formidable base pour expérimenter

Le Si4732 permet finalement de comprendre l’évolution spectaculaire du récepteur radio.

Les fonctions qui nécessitaient autrefois plusieurs étages analogiques, des bobinages, des quartz et de nombreux réglages sont aujourd’hui concentrées dans quelques millimètres carrés de silicium.

Mais le radioamateur conserve encore beaucoup de choses à expérimenter autour de cette puce : filtres d’entrée, préamplificateurs, antennes, réduction du bruit numérique, interfaces utilisateur ou encore logiciels de commande.

Et surtout, le Si4732 permet de construire soi-même un véritable récepteur HF pour un budget particulièrement raisonnable.

Une excellente raison de sortir l’ESP32, l’encodeur… et le fer à souder.