L'intermodulation des micros HF, simplement

Voici une situation que tout sondier a vécue, et moi le premier : on teste ses micros HF un par un, tout est propre. On les allume tous ensemble… et certains grésillent. Pourtant les fréquences sont « libres ». Que se passe-t-il ?

La réponse tient en un mot : l’intermodulation. C’est le phénomène le plus mal compris de la HF, et pourtant la cause n°1 des ennuis sur les gros plateaux. La bonne nouvelle, c’est que le principe est simple à comprendre.

Le principe : quand deux fréquences en fabriquent une troisième

Quand plusieurs signaux radio puissants se retrouvent dans un même circuit électronique (l’étage d’entrée d’un récepteur, ou l’étage de sortie d’un émetteur), ce circuit n’est jamais parfaitement « linéaire ». Résultat : il mélange les signaux et en crée de nouveaux, à des fréquences qui n’existaient pas au départ.

Ces nouvelles fréquences s’appellent des produits d’intermodulation (IM), des « fréquences fantômes » [1][2].

Le problème surgit quand l’un de ces produits tombe pile sur la fréquence d’un micro. Le récepteur ne fait pas la différence : il reçoit un parasite en plein sur son canal → grésillement, souffle, décrochage.

Un peu de calcul (le strict nécessaire)

Prenons deux émetteurs, aux fréquences f1 et f2. Les produits d’intermodulation les plus gênants sont ceux du 3ᵉ ordre, calculés ainsi :

2·f1 − f2
2·f2 − f1

Exemple concret :

f1 = 500 MHz
f2 = 502 MHz
Produits : 2×500 − 502 = 498 MHz, et 2×502 − 500 = 504 MHz

Un troisième micro prévu à 498 MHz ou 504 MHz va souffrir, alors que « sur le papier », cette fréquence était libre.

Ce « 2 » et ce « −1 » ne sortent pas de nulle part : ce sont les coefficients de la combinaison. Leur somme définit l’ordre du produit. Ici, 2 + 1 = 3 : on est au 3ᵉ ordre, l’IM3. C’est le plus fort et, de loin, le plus gênant, mais il n’est pas seul en jeu. Voyons les autres ordres, puis les produits qui mettent trois émetteurs en cause.

Schéma interactif : Spectre d'intermodulation, 8 micros

Les ordres d’intermodulation : IM2, IM3, IM5, IM7

L’ordre d’un produit, c’est la somme des coefficients de la combinaison qui le génère. Deux règles simples, qui expliquent presque tout [1] :

Plus l’ordre est élevé, plus le produit est faible. Un IM3 est bien plus puissant qu’un IM5, lui-même plus fort qu’un IM7. C’est pour cette raison qu’on se concentre d’abord sur les ordres bas.
Les ordres impairs (3, 5, 7) tombent près des porteuses ; les ordres pairs (2, 4, 6) tombent loin. C’est décisif : un produit qui tombe près de vos micros est dans la bande utile, donc dangereux. Un produit qui tombe loin sort généralement de la bande.

Reprenons deux émetteurs, f1 = 500 MHz et f2 = 502 MHz (écart de 2 MHz), pour voir concrètement où atterrit chaque ordre.

IM2, le 2ᵉ ordre (pair)

Les produits du 2ᵉ ordre sont la somme et la différence des deux fréquences, plus leurs harmoniques :

f1 + f2 = 1002 MHz
f2 − f1 = 2 MHz
2·f1 = 1000 MHz, 2·f2 = 1004 MHz

Tous très loin de la bande de travail (autour de 500 MHz). En pratique, sur un groupe de micros resserré en UHF, l’IM2 ne vient donc pas se poser sur un canal voisin. Faut-il l’ignorer pour autant ? Non, dans deux cas :

Les systèmes large bande ou multi-octaves, où une différence peut retomber dans une bande utilisée.
La saturation d’un étage d’entrée (récepteur, ampli d’antenne, splitter) : un IM2 puissant peut surcharger le front-end, qui se met alors à fabriquer lui-même des produits d’ordre supérieur. C’est un piège classique des distributions d’antennes mal dimensionnées.

À retenir : l’IM2 est rarement une menace directe en bande étroite, mais il compte pour la santé des étages d’entrée et sur les configurations large bande.

IM3, le 3ᵉ ordre (impair) : l’ennemi n°1

C’est celui de l’exemple plus haut :

2·f1 − f2 = 498 MHz
2·f2 − f1 = 504 MHz

Deux produits qui tombent juste à côté des porteuses (498 et 504, pour des micros à 500 et 502). Ils sont à la fois les plus puissants et dans la bande utile : le pire des deux mondes. Neuf ennuis d’intermodulation sur dix viennent de là. Un plan de fréquences digne de ce nom commence toujours par écarter les IM3.

IM5, le 5ᵉ ordre (impair)

Le cran au-dessus. Les produits à deux émetteurs s’écrivent :

3·f1 − 2·f2 = 3×500 − 2×502 = 496 MHz
3·f2 − 2·f1 = 3×502 − 2×500 = 506 MHz

Encore dans la bande, un peu plus écartés des porteuses que les IM3, et surtout plus faibles. Sur un plan léger, ils passent souvent inaperçus. Mais dès que la densité et la puissance montent (beaucoup d’émetteurs, packs collés), ils redeviennent audibles, et une coordination sérieuse les prend en compte.

IM7, le 7ᵉ ordre (impair)

Un cran plus loin encore :

4·f1 − 3·f2 = 4×500 − 3×502 = 494 MHz
4·f2 − 3·f1 = 4×502 − 3×500 = 508 MHz

Toujours dans la bande, encore plus faibles. En temps normal, on peut les négliger. Ils ne deviennent gênants que sur les très grosses configurations, à forte puissance et à faible espacement, exactement les plateaux où l’on ne peut se permettre aucune surprise. C’est pourquoi un outil de coordination pousse le calcul jusqu’à l’ordre 7 : au-delà, l’énergie des produits devient négligeable.

En résumé : on traite d’abord les impairs (IM3, puis IM5, puis IM7, par ordre d’importance décroissante), parce qu’ils tombent dans la bande. Les pairs (IM2…) se surveillent surtout pour éviter la saturation des étages d’entrée.

Les produits à trois émetteurs (3TX)

Jusqu’ici, deux émetteurs. Mais dès qu’il y en a trois, une nouvelle famille de produits du 3ᵉ ordre apparaît, les triple-beats, souvent aussi forts que les IM3 à deux émetteurs, et bien plus nombreux :

f1 + f2 − f3
f1 − f2 + f3
−f1 + f2 + f3

Exemple avec f1 = 500, f2 = 502, f3 = 506 MHz :

500 + 502 − 506 = 496 MHz
500 − 502 + 506 = 504 MHz
−500 + 502 + 506 = 508 MHz

Trois produits qui tombent en plein milieu du plan, entre et autour des porteuses. Voilà pourquoi le nombre de canaux compte autant : à deux émetteurs, on gère quelques produits ; à trois, les combinaisons se multiplient ; à vingt ou quarante, le nombre de triple-beats explose (il croît grossièrement comme le cube du nombre de porteuses). C’est la vraie raison pour laquelle un plan qui tient à 8 fréquences peut s’effondrer à 20 ou 30.

Sur le schéma plus haut, la bascule « plan naïf / plan coordonné » montre justement ces produits à deux et trois émetteurs, et comment un plan coordonné les écarte tous des canaux utilisés.

Pourquoi ça empire sur les gros plateaux

Deux facteurs aggravants [1][2] :

Le nombre d’émetteurs. Plus il y a de fréquences en jeu, plus il y a de combinaisons possibles, et donc de produits d’intermodulation. Le nombre de combinaisons croît très vite : quelques micros, cela passe ; quarante micros et ears, c’est une autre affaire.
La proximité des émetteurs. Plus les émetteurs sont proches physiquement les uns des autres (des HF empilés dans un même rack, des packs ceinture côte à côte sur un plateau), plus les signaux se mélangent fort. L’intensité des produits d’intermodulation augmente quand la distance diminue [2].

C’est la raison pour laquelle un plan qui fonctionne à 8 fréquences peut s’effondrer à 20.

Les solutions

1. Espacer physiquement les émetteurs

Éviter de coller tous les émetteurs HF les uns contre les autres. Un peu de distance entre les racks d’émission et de réception réduit déjà les produits.

2. Choisir un plan de fréquences « compatible »

C’est le cœur du sujet : il faut sélectionner des fréquences telles qu’aucun produit d’intermodulation ne tombe sur un canal utilisé. Les fabricants (Shure, Sennheiser…) proposent pour cela des groupes de fréquences pré-calculés et des logiciels de coordination [1][3].

3. Utiliser un outil de coordination

Dès qu’on dépasse une poignée de canaux, le calcul à la main devient impraticable : les professionnels recommandent un logiciel de coordination qui teste toutes les intermodulations [3][4]. C’est précisément le rôle de RF Shot : il coordonne 100+ fréquences et calcule les intermodulations jusqu’à l’ordre 7, plus les produits à 3 émetteurs (3TX). Pour des besoins plus simples, Speed RF suffit.

À retenir

L’intermodulation, ce sont vos propres émetteurs qui fabriquent des fréquences parasites en se mélangeant.
Les produits impairs (IM3, IM5, IM7) tombent dans la bande : ce sont eux qu’on traite en priorité. L’IM3 (2·f1 − f2) est le plus fort ; l’IM5 et l’IM7 comptent sur les plans denses. Les produits pairs (IM2) tombent loin, mais surveillent la saturation des étages d’entrée.
Dès trois émetteurs, les produits 3TX (f1 + f2 − f3) s’ajoutent, nombreux et souvent aussi forts que les IM3.
Le phénomène empire avec le nombre et la proximité des émetteurs.
La parade : un plan de fréquences coordonné, calculé pour qu’aucun produit ne tombe sur un canal utilisé.

Les micros ne sont pas « capricieux » : ils obéissent à la physique. Une fois le plan bien coordonné, tout rentre dans l’ordre.

Sources

Shure, « All About Wireless: Intermodulation Distortion » : https://www.shure.com/en-EU/insights/all-about-wireless-intermodulation-distortion
Sennheiser, Frequency Management / coordination des fréquences (documentation constructeur).
RF Venue, « Why You Should Use Frequency Coordination Software Every Time » : https://www.rfvenue.com/blog/2017/03/31/why-you-should-use-frequency-coordination-software-every-time
Sweetwater, « RF 101: The Basics of Wireless Mics and In-ear Systems » : https://www.sweetwater.com/insync/rf101-basics-wireless-mics-in-ear-systems/