cours modulation

Physique applique

La modulation damplitude

Guglielmo Marconi


jean-philippe muller

Sommaire1- Structure dun systme de communication radio 2- Lexprience de Hertz 3- Le rle de la frquence porteuse 4- Spectre des ondes radio 5- Frquence de porteuse et taille de lantenne 6- Les diffrents types de modulations 7- Principe de la modulation AM avec porteuse 8- Les dbuts de la radiodiffusion 9- Les premiers rcepteurs AM 10- Porteuse module par un signal sinusodal 11- Calcul de lindice de modulation 12- Porteuse module par un signal analogique 13- Spectre AM avec signal modulant sinusodal 14- Exemple de spectre avec signal modulant sinusodal 15- Spectre AM avec signal modulant analogique 16- Exemple de spectre avec signal modulant analogique 17- Le mme exemple avec chelle dBm 18- Puissance transporte par un signal AM 19- Production dun signal AM 20- Le rcepteur AM 21- Dmodulation AM : le dtecteur crte 22- Dmodulation AM : le dmodulateur synchrone 23- Les dmodulateurs AM et le bruit 24- La modulation AM en bande latrale double 25- La modulation AM en bande latrale unique 26- La modulation par un signal binaire 27- Diagramme de loeil dun signal binaire 28 Modulation totale ou partielle 29- Production dune modulation AM numrique 30- Formes et spectres des signaux AM numriques 31- Exemples et illustrations

cristal de galne



1- Structure dun systme de communication radioUn systme de communication transmet travers un canal des informations de la source vers un utilisateur :

Source

metteur

rcepteur

Utilisation

antenne dmission

antenne de rception

source information porteuse module porteuse module information

utilisateur

la source fournit linformation sous la forme dun signal analogique ou numrique lmetteur inscrit cette information sur une porteuse sinusodale de frquence fo : cest la modulation ce signal lectrique modul est transform en onde lectromagntique par lantenne le canal est lespace libre entre lantenne dmission et de rception dans lequel se propage londe lectromagntique le rcepteur slectionne la frquence de la porteuse et dmodule linformation qui y est inscrite linformation est restitue avec une dgradation lie aux qualits de lmetteur, du rcepteur et des perturbations du canal



2- Lexprience de HertzVers 1887, Heinrich Hertz, professeur lcole technique suprieure de Karlsruhe invente et construit un oscillateur haute frquence : deux sphres de cuivre de diamtre 30 cm relies par une tige coupe en son milieu par un clateur les sphres sont relies une bobine de Ruhmkorff produisant une trs haute tension priodiquement, les charges s'accumulent dans les sphres jusqu'au moment ou l'tincelle clate les sphres se dchargent alors selon un rgime oscillant une frquence de quelques MHz

Ce courant alternatif de haute frquence produit une onde lectromagntique qui induisent des courants dans le rsonateur voisin, produisant de petites tincelles dans l'clateur. Loscillateur et le rsonateur sont les modles primitifs d'un metteur et d'un rcepteur radio.

H. Hertz 1857-1894

clateurs i(t) quelques MHz bobine de Ruhmkorff

onde lectromagntique

tincelle rsonateur accord dure de ltincelle clateurs

i(t)

tincelle

rsonateurs non accords



3- Le rle de la frquence porteuseLmetteur de Hertz a linconvnient dmettre une porteuse discontinue dont la frquence nest pas bien connue. Grce un oscillateur sinusodal, on peut produire une onde entretenue de frquence fo stable : londe lectromagntique mise est forme de champs E et B variant sinusodalement la frquence fo cette onde induit un courant i(t) de mme frquence fo dans lantenne de rception si ce courant entre dans un circuit RLC accord sur fo, la tension VL aux bornes du circuit sera maximale un autre metteur mettant la frquence f1 sera aussi capt par lantenne, mais produira une tension VL plus faible

antenne mettrice

antenne rceptrice onde lectromagntique V L circuit peu amorti i(t) ( R forte) circuit amorti (R faible)

frquence dmission fo

VL

f1

fo

Ainsi, en attribuant chaque mission une frquence diffrente, il est possible par filtrage disoler lmetteur quon souhaite recevoir parmi les innombrables signaux capts par une antenne. Remarque : lantenne elle-mme participe dj ce filtrage puisque ses dimensions sont calcules pour fonctionner au mieux la frquence de travail fo



4- Spectre des ondes radio AMLa AM est utilise dans un grand nombre dapplications :les Grandes Ondes de 150 280 kHz pour la radiodiffusion commerciale de 30 kHz 3 MHz : les radiophares, balises daroports, radios maritimes, services de mtorologie les Petites Ondes de 520 1710 kHz pour la radiodiffusion commerciale les Ondes Courtes de 3 30 MHz avec les cibistes (autour de 27 MHz) et les radioamateurs trafiquant dans 13 bandes allant de 120m (2,3 2,5 MHz) 11m (25,6 26,1 MHz) les VHF et UHF de 30 MHz 3 GHz o on trouve les radioamateurs, la tlvision pour la luminance et le son, les communications avec les satellites, les missions des aroports, de la police

metteur

rflexion onde lectromagntique

ionosphre

rflexion

TV satellite GSM FM radioamateurs PO

TVrcepteur

Remarque : jusqu 50 MHz, les ondes radio peuvent se rflchir sur lionosphre, ce qui permet une porte importante avec une puissance rduite.

GO



5- Frquence de porteuse et taille de lantenneUne antenne a une frquence de rsonance lie la dimension du brin actif : sa longueur est typiquement gale au quart de la longueur donde en travaillant une frquence fo leve, lantenne sera donc de taille rduite antennes bande FM : 88 108 MHz et 3m

l= = c 4 4fo

l = 75 cm =/4

l = 350 m =/5,3

l = 12,5 cm =/4

Antenne TV-UHF : 400 800 MHz et 50 cm

Ce mobile GSM qui tient dans la main contient 3 antennes diffrentes : bande GSM autour de 900 MHz Le centre GO d'Allouis utilise deux antennes pylnes de 350m de haut diffusant les programmes de France Inter 162 kHz (= 1852 m). bande DCS autour de 1,8 GHz bande Bluetooth autour de 2,45 GHz



6- Les diffrents types de modulationsLexpression gnrale dun signal sinusodal est :

e0(t)=Ecos(t +)

Pour inscrire une information sur cette porteuse, on pourra donc : faire varier son amplitude en fonction du signal transmettre (modulations AM, BLU ou SSB, ASK, OOK ) faire varier sa frquence en fonction du signal transmettre (modulations FM, FSK, GMSK ) faire varier sa phase en fonction du signal transmettre ( modulations PM, PSK .)

lamplitude varie

modulation damplitudesauts de frquence

Chacune de ces modulations a des proprits particulires en ce qui concerne : la complexit du modulateur-dmodulateur et donc le cot lencombrement spectral de la porteuse module la consommation de lmetteur, donne importante pour un quipement mobile

modulation de frquence

modulation de phasesauts de phase

la rsistance du signal modul aux parasites



7- Principe de la modulation AM avec porteusePour produire un signal modul en amplitude, il faut : une information basse-frquence s(t) qui peut tre un signal audiofrquence, vido, analogique ou numrique une porteuse sinusoidale eo(t) La porteuse module en amplitude scrit alors :

e(t)= E[ +k.s(t)]cos( t +) 1enveloppe suprieure

y(t) = E(1+k.s(t))

s(t)

e(t)

enveloppe infrieure

y(t) = - E(1+k.s(t))

en labsence de signal modulant s(t)=0 et e(t) = eo(t) = Ecos(t) en prsence de modulation, la porteuse oscille entre les enveloppes suprieure et infrieure lenveloppe suprieure scrit y(t) = E(1+k.s(t)) et lenveloppe infrieure y(t) = - E(1+k.s(t))



8- Les dbuts de la radiodiffusionLe 26 novembre 1921 a lieu la premire mission de radiophonie franaise : Sainte-Assise, prs de Melun, Yvonne Brothier, debout au milieu de tout l'appareillage d'mission, interprte "la Marseillaise"et un air du "Barbier de Sville cette musique est capte par un microphone puis module en amplitude une porteuse 40 kilomtres de l, Paris, une assemble dingnieurs ravis entend la voix de la chanteuse le concert est galement capt par de nombreuses stations dans un rayon de 1600 km A cette poque, les nombre dmissions est faible et laudience rserve quelques passionns. En 1922, mile GIRARDEAU cre un service public d'information et de musique, lmetteur de la Tour Eiffel est install et commence mettre fo = 113,2 kHz (2650 m) avec P= 1 kW Les missions radio en modulation damplitude nont plus cess depuis

isolateurs suprieurs

La premire mission AM

brins dantenne

isolateurs infrieurs cbles de tension pylne damarrage brin dentre du poste

entre du poste

metteur de la tour Eiffel

Rcepteur galne



9- Les premiers rcepteurs AMLes premiers rcepteurs ont t les postes galne dont la structure est trs simple : un long fil mtallique qui sert dantenne un circuit LC accord sur la frquence recevoir un morceau de galne avec son chercheur, bras articul quip d'un lger ressort en acier ou en laiton un couteur En dplaant avec prcaution l'extrmit acre du ressort la surface de la galne, il est possible de trouver le point le plus sensible. Aprs cela, ne plus bouger et couter

antenne

dtecteur galne

casque

terre

La galne est une pierre de teinte gris fonc aux multiples clats argents qui a des proprits semi-conductrices. On la trouve dans les mines de plomb en Bretagne, dans les Pyrnes, en Cornouaille, en Sardaigne et dans bien d'autres contres.

Dtecteur galne

moustache courant moyen cristal de galne

courant dans lcouteur

signal aux bornes du circuit LC



10- Porteuse module par un signal sinusodalLorsque le signal modulant est sinusodal, on a

s(t)=acos( t)

et la porteuse module scrit :

e(t)= E[ +k.acos( t)]cos( t)= E[ +mcos( t)]cos( t) 1 1

si on pose m = ka : indice de modulation

animation : influence de m

signal modulant s(t)

porteuse module e(t)

animation : influence de la BF

Remarque : lindice de modulation m nest dfini que dans le cas o le signal modulant est sinusodal.



11- Calcul de lindice de modulationA partir de loscillogramme de la porteuse module e(t), il est facile de dterminer lindice de modulation.

la porteuse module scrit

e(t)=E[ +mcos( t)]cos( t) 1 y(t)= E[ +mcos( t)] 1 ymax =E[ +m] 1 ymin = E[ m] 10,52V Ymax = E(1+m)

lenveloppe suprieure

varie entre la valeur maximale et minimale

0,12V Ymin = E(1-m)

le rapport scrit

ymax 1+m = ymin 1mm= ymax ymin ymax + yminExemple : Ymax = 0,52 V Ymin = 0,12 V m = 0,4/0,64 = 0,625 = 62,5 %

on en dduit lindice de modulation :

Lindice de modulation utilis en AM est en principe infrieur 1, une valeur de m suprieure 1 correspond une surmodulation. Cette surmodulation sera lorigine dune distorsion inacceptable si le rcepteur utilise un dtecteur crte. m infrieur 1 m gal 1 m suprieur 1

surmodulation



12- Porteuse module par un signal analogiqueDans le cas gnral, le signal modulant s(t) est analogique et la porteuse module scrit :

e(t)= E[ +k.s(t)]cos( t) 1

+S1

Si lamplitude du signal modulant varie entre +S1 et S2, lenveloppe suprieure y(t) varie entre : une valeur maximale une valeur minimale Y1 = E(1+k.S1)) Y2 = E(1-k.S2))

-S2

Si la valeur minimale devient ngative, on passe en surmodulation lors des crtes ngatives du signal modulant.

surmodulation

Vido : porteuse module AM

amplificateur

Cest la raison pour laquelle les metteur AM sont souvent quips dun compresseur de dynamique : le pramplificateur plac aprs le microphone a un gain variable ce gain sajuste automatiquement au niveau du signal sonore si le signal capt par le microphone est faible, le prampli a une amplification A1 si le signal capt par le microphone est fort, le prampli a une amplification A2 8V la broche 3 est l'entre du signal si Vcc > 8V la broche 11 est la sortie antenne. la broche 15 est l'alimentation Vcc, qui peut tre entre 4V et 12V sous 5 volts, le module consomme 3,5 mA Ces modules sont trs simples utiliser : on alimente sur deux broches, on amne le signal envoyer sur une troisime et on branche l'antenne sur une quatrime. metteur AUREL sur 433 MHz

broches 1 et 10 : +5V broches 2, 7, 11 : masse. broche 3 : entre antenne. broche13 : sortie du signal dmodul broche 14 : sortie du signal 13 mis en forme par le comparateur broche 15 : alimentation les deux Aop avec une tension entre +5V et +24V Le dmodulateur AM est reli un "RF TUNING qui permet de rgler la frquence recevoir grce un potentiomtre scell par de la cire

Rcepteur AUREL de 220 433 MHz



Un rcepteur AM moderne

Specifications couverture sans trou de 150 kHz 30 MHz la bande FM de 88 108 MHz toutes les bandes OC de 120 m 11m oscillateur BFO pour la rception BLU et CW rcepteur double changement de frquence oscillateur local synthtis par boucle verrouillage de phase filtre fi large ou troit : 6 kHz ou 2,8 kHz 6dB rglage du gain RF pour viter la saturation choix de la frquence de rception au clavier ou par scanning semiconducteurs : 1LSI , 12 ICs , 8 FETs , 48 transistors

Lantenne et son enrouleur

Bandes OC radio-amateurs : 2,300 2,495 MHz (120m) 3,200 3,400 MHz (90m) 4,750 5,060 MHz (60m) 5,950 6,200 MHz (49m) 7,100 7,300 MHz (41m) 9,500 9,900 MHz (31m) 11,650 12,050 MHz (25m) 13,600 13,800 MHz (21m) 15,100 15,600 MHz (19m) 17,550 17,900 MHz (16m) 21,450 21,850 MHz (13m) 25,670 26,100 MHz (11m)

Le rcepteur



Un rcepteur AM simple pour la bande CBCe rcepteur AM didactique permet de recevoir un canal de la bande CB des 27 MHz : le signal f1 est capt par lantenne et filtr la frquence de loscillateur du NE602 est fixe par le quartz f0 le mlangeur du NE602 mlange ces 2 signaux le filtre fi 455 kHz slectionne la frquence diffrence ce signal est amplifi par lampli du TCA440 gain contrl le signal de sortie est filtr puis dmodul par un dtecteur crte

antenne +5V

fo +5V

+5V CAG TCA440 sortie BF 455kHz fo = 26,640 MHz f1 = 27,095 MHz f1 - fo = 455 kHz

f1

NE602

Filtre fi 455kHz



Physique applique

Maquette de rcepteur TV SECAM

FINReproduction interdite sans autorisation pralable.



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