Rapport - PEMI : Portable ElectroMagnetism Indicator

PEMI • Juin 2015 • ISIB
PEMI : Portable ElectroMagnetism
Indicator
FUKS Kevin, BOUCQUEY Nicolas
Insitut Supérieur de Bruxelles
[email protected] [email protected]
Mots clés : ondes, électromagnétisme, antenne, GSM, son
Résumé
Ce rapport traite de la conversion d’ondes électromagnétiques en son. Le PEMI (Portable ElectroMagnetism Indicator) est réalisé afin d’être présenté lors d’un événement artistique. Le travail se décompose
en deux parties principales : une partie électronique et une autre informatique. Dans la première, nous
critiquons d’abord les schémas de circuits trouvés sur internet. Ces circuits ne sont pas sélectifs et ne
possèdent pas une assez grande sensibilité. Nous analysons ensuite le Detektor, un PCB (Printed Circuit
Board) utilisé pour convertir les ondes ELM (électromagnétiques) en son. Le Detektor est couplé avec
un patch Pure Data pour permettre de contrôler les sons émis. La non-sélectivité du Detektor nous
a poussé à concevoir notre propre PCB. La partie informatique traite premièrement d’une application
Android permettant d’émettre des sons lors de la détection d’ondes ELM. Ensuite, les API (Application
Programming Interfaces) de l’analyseur de spectre sont améliorées afin de pouvoir utiliser ce dernier avec
le patch Pure Data. Le résultat retenu pour la présentation est le couplage du Detektor avec le patch Pure
Data. Nous tirons avantage du lieu de démonstration (cave) pour nous isoler des ondes parasites.
I.
Introduction
es télécommunications prennent de plus
en plus de place dans notre société. Les
technologies comme le GSM (Global System for Mobile Communication) et le Wi-Fi ont rapidement pris place dans nos habitudes. Dans
le cadre de notre bureau d’étude dans les laboratoires de LARAS (Laboratoire en Art et
Sciences), nous avons collaboré avec les artistes
Sybille DELIGNE et David ZAGARI sur la réalisation du PEMI (Portable Electromagnetism Indicator). Il s’agit de la continuité du projet "Les
Porteurs" dont le but est de reconstituer l’environnement électromagnétique sous forme audible.
La première étape du projet consiste ne l’étude
du comportement des ondes électromagnétiques (ELM) afin de pouvoir en mesurer le
niveau. La détection d’un SMS doit pouvoir se
faire à une distance d’environ 3 m. Dans un
second temps, nous nous sommes intéressés à
convertir ces ondes en ondes sonores sachant
que seules les ondes GSM doivent être conver-
L
ties en son.
Le projet artistique étant voué à évoluer, le
PEMI s’annonçait être au départ un équipement portable, nous avons dû réorienter nos recherches suite à des changements d’objectifs au
cours de l’étude. En effet, pour la présentation
finale, seul un dispositif statique est requis.
Le travail a été décomposé en deux parties
complémentaires : une partie électronique et
une partie informatique. La partie électronique
permet d’atteindre les objectifs d’une manière
adaptée aux phénomènes physiques en action.
La partie informatique met en jeu de grosses
puissances de calcul pour arriver au même résultat.
Le projet est destiné à être présenté lors de
l’événement La Dent Creuse qui tiendra les 26
et 27 juin 2015 au 50 chaussée de Charleroi à
St. Gilles.
1
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II.
1.
x
Description
Partie électronique
z
En guise d’introduction, nous rappelons
quelques notions indispensables à la bonne
compréhension du rapport.
Les ondes électromagnétiques sont constituées
à la fois d’un champ électrique et d’un champ
magnétique. Ces deux composantes oscillent
toutes les deux en phase et de manière perpendiculaires entre elles et à la direction de propagation comme représenté à la figure 1. Ces
conditions ne sont remplies qu’une fois que
l’onde se situe à grande distance de la source.
Cette distance est appelée distance de Fraunhofer [2]. En dessous de celle-ci, la polarisation de
l’onde est quelconque. On appelle polarisation
l’orientation du champ électrique au cours du
temps. Il s’agit d’un vecteur unitaire de même
orientation que le champ électrique. Cette notion est importante dans le cas d’antennes linéiques car c’est le champ électrique qui met en
mouvement les charges présentes dans le métal. Si l’antenne est perpendiculaire au champ
électrique, les charges ne se déplacent pas le
long de l’antenne et aucune tension n’est mesurable à la sortie de celle-ci. On associe donc
aussi un vecteur de polarisation à l’antenne. De
manière générale, la tension mesurée à la sortie
de l’antenne de réception peut être déterminée
par la formule 1.
E(~u) = − ~Ei H (~u) ~pi (−~u) • ~p(~u)
(1)
Dans cette formule, E [V] représente la tension
de sortie de l’antenne, H [m] sa hauteur effective. Le vecteur ~Ei [V/m] représente le champ
électrique. Les vecteurs ~p et ~pi représentent respectivement les vecteurs de polarisation de l’antenne et de l’onde incidente. Comme on peut le
voir, de nombreuses grandeurs dépendent de ~u.
Il s’agit d’un vecteur représentant l’orientation
de l’antenne.
2
y
Figure 1 – Onde électromagnétique
Le spectre électromagnétique est vaste.
Comme précisé précédemment, nous ne nous
intéressons qu’aux ondes émises par les GSM
et l’Internet mobile. Il existe deux bandes de
fréquences allouées à ces technologies : la
bande 900 (de 880 à 915 MHz pour l’envoi de
données vers le réseau (Tx) et 925 à 960 MHz
pour la réception de données du réseau (Rx)) et
la bande 1800 (de 1710 à 1785 MHz pour le Tx
et de 1805 à 1880 MHz pour le Rx). Ces bandes
de fréquences correspondent à celles utilisées
pour l’Europe. Nous considérons les autres
fréquences comme parasites. Les niveaux du
champ électrique à 3 cm du GSM sont d’environ 15 V/m lors d’une conversation.[5]
Cette étude nous a amenés à aller chercher les
schémas électroniques existants sur Internet
afin de capter ces ondes ELM.
Le Detektor, un appareil réalisant la conversion
des ondes électromagnétiques en son nous a
été prêté par les artistes avec lesquels nous travaillons. Nous avons couplé le Detektor avec
un patch réalisé sur Pure Data pour pouvoir
contrôler les sons émis. Le Detektor a l’avantage d’être insensible à la polarisation de l’onde
et permet d’avoir un son lors de l’envoi d’un
SMS peu importe son orientation par rapport
aux ondes.
2.
Partie informatique
Le Detektor en notre possession, il fallait
pouvoir interpréter les valeurs renvoyées. Plusieurs approches ont été utilisées.
D’abord, une version portable. Un smartphone
était idéal pour lier la portabilité, l’accessibilité
et la puissance de calcul. Idéalement, pour l’ac-
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cessibilité, il aurait fallu créer plusieurs codes
(un pour Android, un pour Apple, etc.). Mais,
par manque de temps et de moyens (une license Apple n’est pas gratuite), nous avons
uniquement développé une version Android
qui a été avortée pour cause de changement
d’objectifs. L’application pouvait déjà interpréter les valeurs reçues par la prise mini jack et
déclencher un événement (un son par exemple)
lorsque cette valeur dépassait un certain seuil.
Si l’objectif d’un dispositif portable avait été
poursuivi, l’interface aurait pu être améliorée
pour permettre de faire tout ce qui a été implémenté dans Pure Data.
Ensuite, une version statique. Pour celle-ci, un
programme python a été réalisé. Ce dernier
permet de représenter graphiquement les informations collectées par l’analyseur de spectre,
de parcourir les bandes de fréquences qui nous
intéressent, d’envoyer la valeur maximale de
l’amplitude sur les fréquences concernées à
Pure Data via un message OSC (textitOpen
Sound Control) et de placer un trigger sur cette
valeur afin d’éviter de saturer Pure Data avec
trop d’informations.
III.
1.
Matériel et méthodes
Tests de circuits
Nous avons consacré de nombreuses
séances à réaliser des montages "détecteurs
d’ondes ELM" afin de les tester. Certains
d’entre eux ont été réalisés directement,
d’autres ont été simulés sur pSpice. Certains
schémas se trouvent à l’annexe A de ce rapport.
Ces différents montages fonctionnent en suivant le même principe. Un élément tel qu’une
bobine ou un fil sert d’antenne. Dans le cas du
fil, c’est le champ électrique qui est responsable
du déplacement des charges. Dans le cas de
la bobine, c’est le champ magnétique qui est
responsable de leur mise en mouvement. Le
signal sortant de l’antenne est ensuite amplifié
grâce à des AOP (amplificateurs opérationnels) avant d’être récupéré pour déclencher
un événement (son d’un buzzer, allumage de
LEDs). De manière intuitive, on peut dire que
c’est le même principe que celui qui engendre
des interférences au niveau des baffles audio
lorsqu’un GSM est à proximité. Ces montages
ont aussi l’avantage de ne pas consommer
beaucoup et peuvent être alimentés par une
pile 9 V par exemple.
2.
Le Detektor
Le Detektor est une plaquette électronique
utilisée pour détecter les ondes ELM. La documentation concernant cette plaquette peut
se trouver sur le site internet du fabricant 1 .
Le Detektor émet des sons différents en fonction de l’onde ELM incidente (puissance des
champs, fréquence, etc.). Ces sons sont récupérables au moyen d’une prise mini jack. Les
ondes sont captées au moyen d’une bobine.
Ce dispositif fonctionne sur piles et est tout à
fait portable. Nous nous sommes donc lancés
dans la réalisation d’un dispositif récupérant
le son du Detektor à partir de la prise mini
jack afin de le traiter. Pour que le tout reste
transportable, nous avons couplé le Detektor à
un RPi (Raspberry Pi). Le Detektor sert alors
de capteur et le RPi sert à tout ce qui concerne
le traitement du signal. Le traitement réalisé
par le RPi est un traitement audio. Le RPi ne
possède malheureusement pas d’entrée audio.
Il existe donc deux solutions. La première est
d’utiliser un convertisseur analogique vers numérique (CAN) externe, la puce MCP3008 par
exemple peut remplir cet office. La deuxième
est d’utiliser une carte son externe. Il existe
de petites cartes son USB fonctionnant directement sur l’alimentation du RPi. Il existe une
liste des cartes son vérifiées 2 . Nous avons
choisi d’utiliser la carte son USB HAMA 7.1
Surround USB soundCart (51620).
Nous avons ensuite installé le logiciel freeware
Pure Data sur le RPi. Le patch réalisé sert
donc à convertir le signal reçu du Detektor en
musique. Le patch est détaillé dans le mode
1. http://www.1010.co.uk/org/detektor.html
2. http://elinux.org/RPi_VerifiedPeripherals
3
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d’emploi se trouvant à l’annexe B. Nous expliquons brièvement ici le fonctionnement du
patch. C’est à partir de l’enveloppe du signal
que se fait le déclenchement des sons. Dès que
l’enveloppe dépasse un certain seuil, le son est
déclenché. Plusieurs sons peuvent alors être
attribués à des niveaux différents. Par exemple,
cela permet de déclencher d’une part un son
léger quand le champ ELM n’est pas trop intense et d’autre part un son plus lourd quand
il devient intense.
3.
Analyseur de spectre
Un patch python a été employé pour traiter l’information provenant de l’analyseur de
spectre. Comme décrit précédemment, seules
certaines bandes de fréquences nous intéressent. Celles-ci sont assez larges (jusqu’à
75 MHz) et ne sont pas consécutives. Or, l’analyseur de spectre ne peut scanner que 40 MHz
consécutifs à la fois. Une boucle infinie est donc
employée afin de scanner toutes les fréquences
qui nous intéressent en un minimum de temps
(à peu près 8 boucles par seconde) pour ne
rater aucun pic d’amplitude.
4.
Logiciels utilisés
• Pure Data L’élément de base de notre projet
est le patch Pure Data. Il est utilisé aussi bien
dans la partie avec le Detektor qu’avec l’analyseur de spectre. Il s’agit d’un logiciel freeware
téléchargeable sur le net. Ce logiciel est en fait
une alternative au logiciel Max/MSP. Ces logiciels permettent tous les deux de réaliser de
la programmation graphique. On crée des modules réalisant certaines opérations et on les lie
les uns aux autres au moyens de wires. On peut
ainsi traiter des informations brutes comme le
signal sonore. Ce logiciel est notamment utilisé
dans la réalisation de synthétiseurs.
• Sonnet Il s’agit d’un logiciel permettant
la réalisation et la simulation de filtres sur
PCB. Après avoir choisi les différents matériaux constitutifs du PCB, on réalise le design
4
de nos pistes. La simulation permet de voir
comment se comportent les courants en fonction de leur fréquence. Le logiciel permet aussi
de déterminer la bande passante du filtre. Signalons cependant que la version gratuite du
logiciel ne permet pas de simuler des filtres de
trop grande taille.
• Android Studio Cet environnement de développement (IDE) basé sur IntelliJ IDEA permet de programmer des applications Android
grâce à différents outils facilitant la compatibilité de versions, le multinliguisme des applications, etc. dans un environnement graphique.
Cela laisse la possibilité de voir le résultat directement à l’écran tout en constituant une alternative à l’utilisation de Eclipse avec le SDK
Android.
• Anaconda Anaconda est une distribution
gratuite et complète de python incluant 195
des packages les plus utilisés pour les mathématiques, la science et l’ingénieurie.
5.
Techniques de mesure
Etant donné que le but du projet est de
concevoir un appareil de mesure des ondes
ELM, nous n’avons pas a priori utilisé de technique de mesure particulière. Cependant, pour
pouvoir relever nos résultats, nous procédons
toujours de la même manière. Un SMS ou un
appel est effectué à proximité de l’appareil de
mesure (Detektor ou antenne de l’analyseur
de spectre). Il faut faire attention à ne pas garder l’appareil destinataire proche de l’appareil
de mesure afin de ne pas fausser celle-ci. Si le
test est concluant, on répète progressivement
l’opération à plus grande distance et ainsi de
suite jusqu’à être hors de portée. Les GSM utilisés pour la réalisation de ces mesures sont
un Samsung Galaxy S4 et un Samsung Note
4. D’autres GSM ont aussi été utilisés mais de
manière plus épisodique.
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IV.
Résultats et interprétation
Les résultats obtenus à partir des schémas
tirés d’Internet ne sont pas ceux attendus. A
titre d’exemple, analysons le circuit Table for
Electronic Dreams se trouvant à l’annexe A. Il
s’agit d’un module qui nous a été prêté au
laboratoire. Ce module capte les ondes ELM
proches pour allumer des LEDs. Le cœur du
montage est un AOP à gain dépendant de
la fréquence. Pour le rendre sensible à la fréquence, on le conditionne dans un circuit RLC.
La bobine de ce circuit est aussi l’antenne du
montage. La tension de sortie de l’AOP est directement appliquée aux bornes d’une LED.
Ce montage n’est que très peu sensible et ne
capte déjà plus les ondes GSM émises à plus de
40 cm. De plus, le montage n’est pas du tout sélectif. Si on analyse les valeurs des composants,
on remarque que la fréquence de résonance
du RLC série est de 7 kHz (formule 2). C’est à
cette fréquence que le gain du montage AOP
en amplificateur inverseur (formule 3) est le
plus grand. En effet, lors de la résonance d’un
circuit RLC série, l’impédance devient égale à
celle de la résistance.
1
1
p
√
≈ 7 kHz
fc =
=
2π L C
2π 4, 7 10−3 10−7
(2)
R2
Av = −
(3)
Z1
Nous sommes loin des fréquences d’utilisation
des GSM. Pourtant le montage fonctionne aussi
avec les GSM. Nous pouvons l’expliquer par
le fait que ce n’est pas le signal provenant du
GSM qui est linéairement amplifié, mais plutôt
le bruit que l’onde ELM engendre dans la bobine. Le résultat est le même : la LED s’allume
dès qu’on envoie un SMS ou que l’on réalise
un appel proche du montage. Deux problèmes
sont cependant présents :
— Tous les appareils engendrent le même
type de signal et il est donc impossible
de distinguer les ondes GSM des autres
— La trop faible sensibilité de l’appareil le
rend inexploitable dans le projet
Le manque de sensibilité peut être corrigé
par l’utilisation du Detektor. Bien que le De-
tektor émette des sons qui soient différents en
fonction de la fréquence du signal, il est par
contre impossible de distinguer un son provenant d’une bande de GSM d’un son provenant
d’une borne Wi-Fi. De plus, les sons engendrés
suite à l’envoi de SMS peuvent considérablement varier que ce soit au niveau fréquentiel
ou au niveau temporel (impulsions régulières
dans le temps). A titre d’indication, les analyses
fréquentielles des sons provenant du Detektor
sont fournies à l’annexe C. Suite à nos expériences, nous avons pu remarquer que lors des
tests dans le laboratoire, tout fonctionnait sans
problèmes mais qu’à partir du moment où on
se trouve proche d’une source d’ondes ELM
(par exemple les néons) le Detektor était saturé
et il n’était plus possible de détecter le moindre
SMS. Le PEMI ne devant être sensible qu’aux
ondes GSM, nous avons laissé tomber l’idée.
En effet, si on utilise le PEMI au centre ville,
de nombreux panneaux publicitaires ou autres
néons auraient pu complètement le saturer, rendant la performance artistique irréalisable.
Figure 2 – Prototype de PEMI
Il n’existe malheureusement pas de PCB
permettant de réaliser la mesure de ces champs
GSM. Toutes les plaques électroniques de ce
type fonctionnent avec une carte SIM. Grâce
à cette carte, elles accèdent au réseau cellulaire. Bien qu’il soit possible de récupérer le niveau de la porteuse du signal, il est par contre
impossible de mesurer le niveau ambiant des
ondes ELM. Le PCB ainsi configuré se comporte comme s’il n’écoutait plus que sur sa
porteuse et ne tenait absolument plus compte
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des autres fréquences. Impossible donc de détecter si un autre GSM dans les environs émet
un SMS.
Toutes ces contraintes nous ont poussés à réaliser un PCB récupérant les ondes ELM brutes
et en réalisant ensuite le filtrage de ces fréquences afin de n’obtenir que les fréquences
GSM. Un tel montage combinerait tout les avantages sans accumuler les inconveignants rencontrés jusqu’à présent. La figure 2 représente
le circuit pouvant être réalisé. La conception
de ce PCB est en phase de développement et
des recherches plus pointilleuses concernant
les composants doivent être entreprises. Ces
recherches n’ont pas pu être réalisées au laboratoire faute de matériel disponible.
Nous pensons récupérer des antennes provenant d’anciens GSM de la marque Nokia (nous
avons trouvé trois exemplaires d’antenne de
type AC010432402V03). Malheureusement ces
antennes étant fabriquées sur mesure par Nokia pour leurs propres GSM, il est très difficile de trouver des informations les concernant.
Il faut donc réaliser une étude de leur gain
en fonction de la fréquence. L’avantage de ces
antennes est qu’elles sont compactes et donc
s’adaptent bien à un PCB portable. De plus,
elles sont double bande. Il faut en effet éviter
de prendre des antennes provenant de trop
vieux GSM car ceux-ci fonctionnent que sur la
bande 900.
Le signal est récupéré aux bornes de l’antenne
et amplifié au moyen de la puce HMC313E.
Il s’agit d’un amplificateur UHF (ultra haute
fréquence) large bande. Le signal à la sortie
de l’antenne est très faible. Si on reprend la
formule 1 et que l’on mesure le champs à 3 cm
du GSM lors d’un appel au moyen d’une antenne de type dipôle demi-onde (dont la valeur
peut être déterminée par la formule 4 [5] 3 ), on
obtient une tension d’environ 1,6 V dans les
meilleurs conditions.
H (~u) =
λ
π
(4)
Où λ [m] représente la longueur d’onde. Pour
la bande 900, celle-ci est d’environ 30 cm.
Il serait donc intéressant de déterminer combien de ces modules doivent être mis en cascade afin d’obtenir un signal convenable lors
de l’envoi d’un SMS à plus grande distance.
Ce signal est ensuite filtré au moyen d’un filtre
SAW (Surface Acoustic Wave). A chaque bande
passante correspond un filtre (par exemple le
LFL18924MTC1A052 pour la bande allant de
890 à 960 MHz). De plus, il n’existe pas de
filtres assez large bande pour pouvoir couvrir
complètement la bande 900 ou la bande 1800.
On retrouve des filtres décomposant à chaque
fois ces bandes en Rx et Tx (filtres diplexeurs).
Étant donné que ces filtres ne peuvent pas être
mis en cascade, le signal serait décomposé en 4
signaux distincts (un pour chaque bande aussi
bien en Rx qu’en Tx). Ces signaux ne peuvent
plus être additionnés les uns aux autres par
la suite pour ne former qu’un seul signal. Il
y a de nouveau plusieurs possibilités. Soit on
se limite à deux filtres distincts (deux canaux
peuvent encore être acceptables car la transmission audio se fait aussi sur 2 canaux distincts),
ce qui veut donc dire qu’une partie du spectre
utile ne sera pas exploitée. Soit on réalise un
filtre directement sur le PCB. En UHF, les filtres
ne peuvent plus être fabriqués avec des composants discrets tels que les capacités ou les
self. C’est cette fois la géométrie des pistes
qui fait en sorte que les signaux passent ou
ne passent pas en fonction de leur fréquence.
Cette deuxième solution nécessite aussi du matériel non présent au laboratoire pour pouvoir
être réalisée. Nous avons cependant réalisé des
simulations de filtres présents à l’annexe D.
A la sortie du filtre, le signal entre dans un
détecteur logarithmique (HMC713MS8E). Ce
type de détecteur était déjà présent dans le Detektor. Il converti le signal alternatif UHF en un
signal continu dont l’amplitude dépend de la
puissance des signaux d’entrée. Après avoir été
converti en continu, ces derniers doivent être
récupérés par l’élément extérieur. Si il s’agit du
RPi, on peut envisager de faire entrer ce signal
continu dans le CAN. Il n’est pas possible par
contre de faire de même à l’aide d’une entrée
audio. En effet, sur ce type d’entrée il y a un
3. Nous faisons ici l’hypothèse d’être dans la zone de Fraunhofer, ce qui est loin d’être le cas à 3 cm de l’appareil.
6
PEMI • Juin 2015 • ISIB
filtre passe-haut à 20 Hz. Pas possible donc de
faire entrer un signal continu. C’est pourquoi
nous pensons qu’il faut faire entrer le signal
dans un VCO (Voltage Controled Oscillator).
Il est important de préciser que le montage doit
être réalisé sur PCB avec un plan de masse.
Cette configuration permet d’éviter que des
charges ne s’accumulent hors des pistes.
Cependant après la dernière modification des
objectifs du projet, nous avons du modifier
notre orientation. Il faut savoir que le PEMI
qui devait au départ être mobile, doit maintenant être statique. Nous avons donc laissé
de côté la réalisation du PCB pour nous orienter plutôt vers la récupération d’informations
à partir de l’analyseur de spectre présent au
laboratoire. La section 2 détaille la création de
l’application de récupération des données à
partir de l’analyseur de spectre.
Comme précisé précédemment, le dispositif final est statique et présenté lors de l’évènement.
L’installation du dispositif s’est faite dans une
cave. Pour des raisons budgétaires, nous avons
utilisé le Detektor comme capteur plutôt que
l’analyseur de spectre. Maintenant que nous
sommes protégés des ondes parasites, le caractère non-sélectif du Detektor n’est plus un
problème.
Comme il n’est plus nécessaire d’être transportable, nous avons utilisé un ordinateur plutôt
qu’un RPi pour le traitement du signal. Nous
avons donc plus de puissance de calcul et les
sons envoyés peuvent être traités (ajout de réverbération, delay, etc.) selon les besoins. Le
Detektor est branché via un mini jack à l’ordinateur. Le patch Pure Data détaillé dans le
mode d’emploi de l’annexe B est installé sur
l’ordinateur. Lors de la détection d’ondes de
plus en plus fortes, différents sons peuvent être
lancés sur le système de sonorisation.
Le tableau 1 indique le pourcentage approximatif de stimuli détectés en fonction du local
et du matériel utilisé pour une distance de 3m
entre l’antenne et le GSM.
R307
Laboratoire
Cave
Analyseur
de spectre
Detektor
40
80
40
0
65
95
Table 1 – Pourcentage approximatif de stimuli détectés
en fonction du local et du matériel utilisé à
une distance de 3m
Les meilleurs résultats avec l’antenne linéique sont obtenus dans le laboratoire d’électronique. En effet, la répartition des ondes dans
le local dépend de sa géométrie. L’antenne linéique doit être en concordance de polarisation
avec le champ incident. Il est tout à fait possible que suite à de multiples réflexions (ce
qui est fréquent dans un local de petite taille),
la composante du champ électrique parallèle
à la polarisation de l’antenne soit très faible,
voire nulle. Ce genre d’essai est normalement
fait dans une pièce anéchoïque. Idéalement,
l’antenne du laboratoire doit être placée sur
un plan de masse afin d’obtenir un gain maximal [2]. On peut voir qu’une fois installé dans
la cave, le Detektor perçois presque la totalité
(95 %) des messages envoyés. Les parois de la
cave sont réfléchissantes et peut importe l’endroit d’où le message est envoyé, la détection
peut se faire grâce aux réfections. Un autre
avantage de la cave est que la réception du
réseau par les mobiles n’est pas bonne. Pour
compenser cela, la puissance lors de l’émission
de SMS est accrue, ce qui rend la détection plus
aisée. Nous pouvons aussi expliquer le 0% des
stimuli détectés en conséquence de la présence
de néons dans le local R307. Ces derniers sont
sources de parasites que l’on ne peut dissocier
des stimuli.
V.
Conclusions et améliorations
possibles
Les télécommunications prennent de plus
en plus de place dans nos sociétés. Le but du
projet "Les Porteurs" est de rendre audibles
ces ondes intangibles. Dans le cadre de notre
bureau d’étude, il nous a été demandé de réa7
PEMI • Juin 2015 • ISIB
liser un dispositif permettant de transformer
ces ondes en ondes sonores. Bien que les objectifs du bureau d’étude aient changé plusieurs
fois au cours de l’année, nous avons réussi à
installer un dispositif permettant de détecter
les ondes GSM présentes dans une pièce. En
combinant le Detektor avec un ordinateur, nous
avons trouvé une solution fonctionnelle et économique.
Le projet se terminant avec l’année, les améliorations possibles concernent plutôt la réalisation du dispositif portable qui n’a pas été
monté. La poursuite du projet peut tout à fait
être justifiée par différents motifs. Premièrement, un projet à long terme des artistes avec
lesquels nous avons travaillé est de réaliser
une "cartographie" des ondes ELM en Europe.
Deuxièmement, ce genre d’objet trouve sa place
dans nombre d’applications (par exemple la
surveillance lors des examens). Le prix des
équipements professionnels réalisant la détection d’ondes ELM est de l’ordre de 2000 e alors
que nous estimons le prix de la plaque à 100 e.
Une étude des différents composants est donc
la prochaine étape obligatoire pour améliorer
ce projet. Cette étude peut être réalisée dans
les laboratoires de l’Ecole Royale Militaire qui
8
sont équipés pour l’analyse dans la technologie
UHF.
Enfin, l’amélioration de l’application Android
en ajoutant les mêmes fonctionnalités que le
patch Pure Data peut être envisagée. Le développement de cette même application pour les
autres smartphones (Windows Mobile, Apple,
etc.) serait intéressant pour augmenter l’accessibilité à de nombreux utilisateurs ne possédant
pas de smartphone Android.
Références
[1]
Fujimoto K. & James J. R.(2015) Mobile
Antenna Systems Handbook., Editors
[2]
Piette M., (2015) Propagation et rayonnements, notes de cours
[3]
Siwiak K., Propagation and Antennas
for Personal Communications, Third Edition.
[4]
Tungjutjaroenlert T., Dual Band Microstrip Bandpass Filter for GSM (2007), Faculty of Industrial Technology Phranakhon Rajabhat University Bangkok 10220
[5]
ite internet http ://www.etudesetvie.be/,
consulté le 15/06/2015
PEMI • Juin 2015 • ISIB
Annexe A: Schémas réalisés
Dans cette annexe, nous présentons à titre indicatif quelques schémas électroniques qui ont été
réalisés par simulation et ensuite essayés au cours des différentes séances de bureau d’étude. On
trouve parmi ces schémas des amplificateurs UHF et des montages de détecteurs d’ondes ELM.
La plupart de ceux-ci que l’on peut trouver sur Internet sont des montages très simples et nous les
avons réalisés directement sur breadboard.
Les circuits 1 et 3 proviennent de sites internet spécialisés 4 . Il s’agit de circuits amplificateurs
UHF. Nous n’entrons pas dans les détails de fonctionnement. C’est une fois la simulation réalisée
(figures 2 et 4) que nous nous sommes rendu compte que la bande passante de ces amplis était
trop étroite et absolument non linéaire. Ce type d’amplificateur est plutôt réalisé pour amplifier
une fréquence porteuse à l’instar d’un récepteur radio. Nous ne nous sommes pas attardés sur la
réalisation de ces montages.
La figure 5 représente un exemple typique de détecteur d’ondes ELM dont regorge Internet.
Afin de se rendre compte de la quantité de schémas de ce type, le lecteur curieux peut entrer
dans un moteur de recherche les mots clés "cell phone sniffer, GSM mobile detector, etc.". Le montage
de la figure 5 5 fait partie de ces montages. Comme précisé dans le rapport, ce ne sont pas les
ondes GSM qui sont amplifiées mais bien le bruit qu’elles engendrent dans la bobine ou antenne.
Ce type de capteur est inutile dans le cadre du projet PEMI, sauf évidemment si l’endroit où est
réalisée la performance est protégé des ondes parasites.
De manière générale, on peut se rendre compte que le montage amplifie le bruit de par la
présence d’un AOP. En effet, ce genre d’amplificateur n’a pas une bande passante très large. De
plus, son comportement n’est intéressant qu’à basses fréquences (rarement supérieur à 2 MHz).
Cela le rend tout à fait inadéquat dans les bandes de fréquence qui nous intéressent.
Le principe de fonctionnement expliqué ci-dessus s’applique aussi au montage Table for Electronic
Dreams qui nous a été prêté au laboratoire. Les informations concernant ce montage peuvent être
obtenues sur le site du constructeur 6 . La charge a été remplacée par une résistance et l’antenne
par un générateur de tension. Le résultat est un pic à environ 7 kHz.
4. http://www.next.gr/rf/uhf-circuits/, http://www.electroschematics.com/
5. http://www.circuitsgallery.com/2012/07/mobile-cell-phone-detector-sniffer.html
6. http://www.instructables.com/id/Table-for-Electronic-Dreams/
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Figure 1 – Schéma de l’amplificateur UHF 1
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Figure 2 – Simulation de l’amplificateur UHF 1
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Figure 3 – Schéma de l’amplificateur UHF 2
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Figure 4 – Simulation de l’amplificateur UHF 2
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Figure 5 – Schéma d’un détecteur d’ondes ELM
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Figure 6 – Simulation du détecteur d’ondes ELM
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Figure 7 – Schéma de principe du montage Table For Electronic Dreams
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Annexe B: Mode d’emploi
1.
Avec le Detektor
• Matériel nécessaire
Voici la liste du matériel nécessaire à la bonne utilisation du PEMI lors de son utilisation avec le
Detektor.
— Un ordinateur (PC ou MAC)
— Le logiciel Pure Data téléchargeable gratuitement (Version utilisée : 0.43.4-extended)
— Un Detektor
— Un mini jack-mini jack
— Des sons en ".wav"
— Du matériel de diffusion sonore
• Installation du dispositif
1. Raccorder le Detektor au PC au moyen du mini jack. On raccorde la sortie "phone" du
Detektor à l’entrée microphone du PC.
2. Vérifier que les potentiomètres du Detektor soient correctement reglés (potentiomètre de
volume au maximum et potentiomètre d’atténuation au minimum).
3. A partir du PC, ouvrir le patch Pure Data appelé PEMI.pd.
4. Dans la console de Pure Data, cocher la case "DSP" comme représenté à la figure 8.
Figure 8 – Lancement du programme
5. Charger un son, lever les faders de la piste ainsi que celui du master volume. Régler la
réverbération (Voir ci dessous). Si aucun son ne se fait entendre en cliquant sur le bouton test
du son associé, vérifier si la configuration est bonne dans le menu media/configuration audio....
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PEMI • Juin 2015 • ISIB
• Utilisation du patch
Figure 9 – Patch PEMI
Le texte qui suit s’appuie sur la figure 9 qui représente l’interface du patch PEMI. La partie de
gauche de l’interface est constituée de 3 parties semblables. La lecture se fait comme une table de
mixage son. Chaque colonne contrôle un son.
1. Bouton Charger : Sélection du son à jouer lorsque le signal dépasse un certain seuil. Une fois
le bouton cliqué, un menu de navigation de l’ordinateur s’ouvre. Il faut alors sélectionner un
fichier son en ".wav".
2. Trigger : On choisit le niveau de déclenchement de la piste. Tant que le niveau est au-dessus
de ce seuil, le son correspondant est joué. Le son s’atténue ensuite progressivement.
3. Durée : On choisit ici la durée de la boucle du son. Le programme est réalisé pour que la
piste tourne en boucle et que lors du déclenchement de la piste, celle-ci se fasse entendre.
Cela permet d’éviter d’entendre à chaque fois le même son quand la piste est jouée.
4. Faders : C’est à cet endroit que l’on règle le niveau des différentes pistes entre elles. Cela
permet de mélanger les sons entre eux afin d’avoir un résultat harmonieux. Le master fader
permet un contrôle du volume en général. Finalement, l’afficheur sortie donne une indication
du niveau sonore envoyé sur la sortie et prévient, par exemple, d’une éventuelle saturation
des appareils.
5. Bouton Test : Ce bouton permet de tester le son sans avoir besoin que le niveau des ondes
électromagnétiques dépasse le seuil nécessaire au déclenchement de la piste. On peut ainsi
s’assurer que les sons aient un bon équilibre entre eux ou encore vérifier les paramètres de
la réverbération ou du délai. Ce bouton clignote aussi au moment du déclenchement de la
piste.
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6. Paramètres du Délai et de la Réverbération : On trouve ici les paramètres classiques d’une
réverbération. On peut donc changer le Dry/Wet, qui permet de faire la balance entre le son
direct et le son sortant de la réverbération. Ainsi, si le Wet est au maximum, alors que le
Dry est au minimum, le son sera celui du son réverbéré uniquement. Le paramètre Room size
permet de régler le temps de réverbération ainsi que le son de la réverbération. Les boutons
Delay permettent de créer un temps de délai sur les canaux gauche et droit. Un court délai
engendre un filtre en peigne sur le son alors que de plus longs délais permettent de réaliser
des effets "ping-pong" (donner l’impression que le son passe d’un canal à l’autre comme une
balle de ping-pong) et autres.
7. Valeurs en fonction du temps : Ce graphe permet de voir les valeurs qui défilent tout au long
du temps. Cela permet de se rendre compte de la variation des ondes ELM et, par exemple,
percevoir quand a été émis un SMS.
8. Valeur Lue : La valeur instantanée peut être lue à cet endroit. Cela permet de savoir comment
régler les différentes valeurs de déclenchement.
2.
Avec l’analyseur de spectre
• Matériel nécessaire
Voici la liste du matériel nécessaire à la bonne utilisation du PEMI lors de son utilisation avec
l’analyseur de spectre.
— Un ordinateur (PC ou MAC)
— Le logiciel Pure Data téléchargeable gratuitement (Version utilisée : 0.43.4-extended)
— Une version de python avec les packages OSC et pylab (Anaconda contient pylab et facilite
l’installation de packages supplémentaires)
— Un analyseur de spectre avec antenne linéique
— Des sons en ".wav"
— Du matériel de diffusion sonore
• Installation du dispositif
1. Raccorder l’analyseur de spectre au PC au moyen du cable USB fourni par le fabriquant.
2. A partir du PC, ouvrir le programme python et regarder les valeurs obtenues en sortie.
3. Fermer le programme python et modifier le trigger (ligne 84) en fonction des valeurs
obtenues à l’étape précédente puis rouvrir le programme python.
4. Ouvrir le patch Pure Data appelé PEMI2.pd et continuer tel que décrit pour le Detektor.
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Annexe C: Analyse fréquentielle de la sortie du Detektor
Nous analysons ici brièvement le comportement en fréquence de la sortie du Detektor. Pour
rappel, il s’agit de fréquences audibles (de 20 Hz à 20 kHz). Lors de la réception d’une information
du réseau, le contenu fréquentiel alterne entre celui représenté à la figure 10 et celui de la figure 11.
On peut voir que le contenu spectral est assez structuré dans les deux cas. Cependant, le niveau
perçu est assez différent d’une alternance à l’autre. La figure 12 représente le contenu spectral
lors de l’envoi d’un SMS. On peut voir que le niveau est beaucoup plus faible que ceux observés
jusqu’à présent. La figure 13 représente le contenu spectral du son lorsque l’on approche une
source de parasites du Detektor (il s’agit ici d’une lampe). Comme on peut le voir, le niveau est
semblable à celui de l’envoi d’un SMS. Il est donc très difficile de pouvoir différencier un son de
l’autre. D’autant plus que si on est proche d’une source de parasites, le SMS n’est même plus
perceptible.
Précisons aussi que ces résultats ont été obtenus au moyen d’un type de GSM. Les bandes de
fréquences en jeux et leurs niveaux varient considérablement d’un GSM à l’autre.
Les mesures ont été effectuées dans un local isolé des ondes ELM et au moyen d’une carte son
MOTU 828 mk3.
Figure 10 – Première alternance lors de la réception de données du réseau
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Figure 11 – Deuxième alternance lors de la réception de données du réseau
Figure 12 – Envoi d’un SMS
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Figure 13 – Approche d’un parasite
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Annexe D: Conception d’un filtre sur PCB
Cette partie traite de la conception d’un filtre sur PCB. La documentation à ce sujet est assez
difficile à obtenir. Les simulations et schémas présents dans cette annexe ont été réalisés sur le
logiciel Sonnet. Malheureusement la version gratuite ne permet pas de simuler de trop gros filtres.
Le filtre représenté à la figure 14 est inspiré d’un filtre de [4]. Le diélectrique utilisé est du Rogers
RT6010L d’une épaisseur de 1,27 mm. Le metal utilisé est de l’Or d’une épaisseur de 2,54 µm
(conductivité de 4, 09 107 S/m.
Nous n’avons malheureusement pas pu simuler le filtre dans son entièreté. Nous retranscrivons
ici (figures de 14 à 16) les mesures en millimètres en vue d’une éventuelle future réalisation. Deux
parties ont été simulées. Il s’agit de la première partie du montage et de la deuxième. On peut
observer le résultat aux figures 17 et 18. Comme on peut le voir, les fréquences auxquelles se font
les atténuations sont les fréquences en jeu. Malheureusement, il est difficile de pouvoir affirmer
que le filtre marche comme il devrait. En effet, c’est la géométrie complète qui agit comme filtre et
le fait de simuler le montage partie par partie ne respecte pas du tout la répartition des courants
dans le filtre. Il est donc impossible de simuler le filtre. Le montage a cependant été réalisé dans le
rapport [4]. On peut y voir que les courbes sont celles désirées. La seule manière de savoir si ce
filtre est opérationnel ou non est de le réaliser en pratique.
Figure 14 – Vue d’ensemble du filtre
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Figure 15 – Détails du filtre
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Figure 16 – Détail du filtre
Figure 17 – Simulation de la partie 1
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Figure 18 – Simulation de la partie 2
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