Les fréquences VLF sont réputées pour avoir des niveaux de bruit radioélectrique assez élevés. Nous allons voir les niveaux de perturbations auxquelles il faut s'attendre lorsque l'on s'intéresse à la réception de signaux VLF.

Origine des bruits radioélectriques

Les bruits radioélectriques limitent la capacité des récepteurs à détecter des signaux faibles. Le bruit a deux origines principales :

• les bruits d'origine naturelle :
  • le bruit atmosphérique, principalement issu de l'activité orageuse. Le nombre moyen d'éclairs est d'environ 45 par seconde, et ils sont répartis principalement en zone équatoriale. Ces éclairs sont source d'interférence qui se propagent sur la surface terrestre par réflexion ionosphérique.
  • le rayonnement cosmique, issu principalement du soleil, mais aussi des nébuleuses et des amas d'étoiles.
• les bruits issus de l'activité humaine et de l'utilisation d'appareils électrique et électroniques. Le niveau est fortement dépendant de l'emplacement géographique : zone rurale ou zone d'activité économique importante, et aussi de l'heure de la journée.
  Une source importante de bruit dans la bande VLF est notamment les alimentations à découpages à faible coût présentes dans la plupart des PC ou dans les lampes à fluorescence.

Modélisation des bruits radioélectriques

Le bruit radioélectrique est décrit en détail dans la recommendation P.372 de l'ITU. Ce document fournit les valeurs médianes des bruits radioélectriques, d'origine naturelle et humaine.
En fonction du lieu, les valeurs réelles peuvent être dans une plage de ±7dB si l'on exclut les déciles extrêmes.
En fonction de l'heure, les valeurs réelles peuvent être dans une plage de [-5dB, +10dB] si l'on exclut les déciles extrêmes.

Voici les courbes fournies par l'ITU (vous pouvez agrandir les images en cliquant dessus) :
Les courbes fournissent les valeurs du facteur de bruit externe F_a en fonction de la fréquence. Il est défini par :
avec : où :

• p_n est la puissance du bruit qui serait fournie par une antenne idéale, en W
• k est la constante de Boltzmann (1.38·10^-23 J/K)
• T₀ est la température de référence (288K)
• B est la bande passante du système de réception, en Hz

D'autre part, la puissance reçue par une antenne est fournie par la relation : où :

• p_n est la puissance du bruit qui serait fournie par une antenne idéale, en W
• E_n est le champ électromagnétique du bruit, en V/m
• h_e est la hauteur effective de l'antenne, en m
• R_rad est la résistance de radiation de l'antenne, en Ω

Pour une orientation idéale de l'antenne l'équation (3) se transforme en :
Dans le cas d'une antenne cadre à air ou ferrite, ou bien d'un dipole demi-onde, la résistance de radiation s'exprime par : où :

• R_rad est la résistance de radiation de l'antenne, en Ω
• Z₀ est impédance caractéristique du vide (environ 377Ω)
• h_e est la hauteur effective de l'antenne, en m
• λ est la longueur d'onde, en m

A partir de (2), (4) et (5), on exprime la valeur efficace de la composante verticale du champ électromagnétique en polarisation verticale, en V/m, selon :
On peut alors définir la densité spectrale du bruit du champ electrique selon :

Modèle SPICE du bruit radioélectrique

A partir des valeurs de F_a fournies par l'ITU et de l'équation (8), on obtient les courbes ci-dessous pour la densité spectrale du bruit radioélectrique. Cette densité spectrale est ici exprimée en dB par rapport à une référence de 1µV·m^-1/Hz^½.

La courbe bleue représente la valeur médiane de la densité spectrale maximale du bruit.
La courbe verte représente la valeur médiane de la densité spectrale minimale du bruit.

Comme précisé en introduction, les valeurs réelles peuvent être de plusieurs dB au-dessus ou au-dessous de ces valeurs médianes, en fonction du lieu et de l'heure.

Cette distribution est cohérente avec les mesures de Maxwell et Stone qui sont présentées dans cet article (en anglais) : http://www.vlf.it/naturalnoisefloor/naturalnoisefloor.htm.