la modulation démodulation qpsk - freegary.lagin.free.fr/files/projet_modem.pdfsignaux télécoms...

SYSTEMES NUMERIQUES POUR LES TELECOMUNICATIONS

La modulation

démodulation QPSK Rapport final de projet

LAGIN Gary – MATOS José Mauro

22/05/2009


2

Sommaire Introduction ................................

Principe de fonctionnement ................................

La porteuse ................................................................

PLL ADF4360-7 ................................

Bus SPI ................................................................

Programmation du bus SPI ................................

Programmation de la PLL ................................

Le signal modulant ................................

Conversion Série-Parallèle................................

Schéma global................................

Exemple ................................

Occupation Spectrale ................................

Schéma global................................

Modulation QPSK ................................

Démodulation QPSK ................................

Conception des circuits de mise en forme des

THS4505................................................................

LM13700 ................................................................

Circuit complet ................................

Conclusion ................................................................


................................................................................................................................

................................................................................................

................................................................................................

................................................................................................................................

................................................................................................

................................................................................................

................................................................................................

................................................................................................................................

................................................................................................

................................................................................................................................

................................................................................................................................

................................................................................................

................................................................................................................................

................................................................................................................................

..............................................................................................................................

Conception des circuits de mise en forme des signaux en bande de base (Emetteur)

................................................................................................

................................................................................................

................................................................................................................................

................................................................................................

............................................. 3

.................................................... 3

.............................................. 3

..................................... 4

................................................. 5

.................................................. 5

.................................................... 7

.................................. 9

................................................... 9

.................................. 9

........................................... 9

........................................................ 10

................................ 10

.................................. 11

.............................. 13

signaux en bande de base (Emetteur) ........................ 14

............................................. 15

............................................ 16

.................................. 17

............................................. 18


3

La modulation/démodulation QPSK

Introduction Dans un monde, où l’information devient vitale au fonctionnement de la société

nous faut trouver les moyens qui nous permettront

surtout beaucoup plus vite. Pour ceci

électromagnétiques dans l’air, sont modulées sur un sign

appelé le signal porteur. De plus, ces informations sont souvent numérisées, pour ainsi éviter

implanter de nombreux dispositif de conversion numérique analogique et également rendre les

signaux télécoms moins sensible au bruit. La modulation choisie pour notre projet est

modulations numériques les plus souvent utilisées, la modulation

QPSK.

Principe de fonctionnement Le principe de fonctionne

grande fréquence (appelé pour le reste du rapport «

sont constantes et fixées par l’utilisateur selon les conditions d’utilisation, mais de phase

qui dépendent d’une certaine combinaison de bits. L’émetteur module la porteuse en phase, à partir

d’un signal binaire (appelé « modulant

et ainsi de retrouver le signal modulant. Il est évident que le sig

signal modulant, la porteuse n’étant que signal de transport. Pour l’analogie, les informations

(modulant) sont les passagers, la porteuse le

facile de comprendre que ni la porteuse ni

faut donc générer ces signaux grâce à

suite nous allons initialement

microcontrôleur et une PLL. Puis

binaire d’information à transmettre.

du modulateur/démodulateur QPSK, et comment im

La porteuse Il existe une multitude de circuits qui peuvent généré

nature de la modulation QPSK requiert que ce signal sinusoïdal soit

fréquence programmable (nécessaire

d’occupation spectrale minimal

modulateur MAX 2021 dépend de la puissance

une PLL numérique programmable,

chez Analog Devices. Celle-ci est

microcontrôleur ALTERA, comme circuit numérique de c



Dans un monde, où l’information devient vitale au fonctionnement de la société

r les moyens qui nous permettront de faire circuler ces informations plus loin et

surtout beaucoup plus vite. Pour ceci, les informations transmissent sous forme d’ondes

dans l’air, sont modulées sur un signal de fréquence beaucoup plus élevé,

appelé le signal porteur. De plus, ces informations sont souvent numérisées, pour ainsi éviter


sensible au bruit. La modulation choisie pour notre projet est

modulations numériques les plus souvent utilisées, la modulation Quadrature phase

Principe de fonctionnement Le principe de fonctionnement de la modulation QPSK, est l’envoi d’un signal sinusoïdal de

grande fréquence (appelé pour le reste du rapport « porteuse »), dont l’amplitude et la fréquence

par l’utilisateur selon les conditions d’utilisation, mais de phase

d’une certaine combinaison de bits. L’émetteur module la porteuse en phase, à partir

modulant »), le récepteur peut donc « lire » la phase de cette porteuse

et ainsi de retrouver le signal modulant. Il est évident que le signal contenant les informations est le


(modulant) sont les passagers, la porteuse le Tgv et l’émetteur/récepteur la gare. Il

e que ni la porteuse ni le modulant son générées par l’émetteur/récepteur. Il

ces signaux grâce à des circuits spécialisés indépendant du modulateur

détailler la création de la porteuse grâce,

Puis, deuxièmement, la génération du signal modulant, à partir du flot

binaire d’information à transmettre. Finalement nous allons décrire le principe de fonctionnement

du modulateur/démodulateur QPSK, et comment implanter ce circuit en pratique.

Il existe une multitude de circuits qui peuvent générés des signaux

nature de la modulation QPSK requiert que ce signal sinusoïdal soit : très stable en fréquence,

(nécessaire pour transmettre des informations sur différents canaux GSM),

d’occupation spectrale minimale et de puissance programmable (la puissance en sortie du

X 2021 dépend de la puissance du signal porteur). Nous avons donc choisie d’util

programmable, pour générer la porteuse. Cette PLL est le circuit

est très versatile, mais difficile à programmer. Nous allons utiliser un

microcontrôleur ALTERA, comme circuit numérique de contrôle de la PLL.


Dans un monde, où l’information devient vitale au fonctionnement de la société moderne, il

de faire circuler ces informations plus loin et

les informations transmissent sous forme d’ondes

al de fréquence beaucoup plus élevé,

appelé le signal porteur. De plus, ces informations sont souvent numérisées, pour ainsi éviter ; devoir


sensible au bruit. La modulation choisie pour notre projet est une des

Quadrature phase-shift keying dite

K, est l’envoi d’un signal sinusoïdal de

»), dont l’amplitude et la fréquence

par l’utilisateur selon les conditions d’utilisation, mais de phases variables

d’une certaine combinaison de bits. L’émetteur module la porteuse en phase, à partir

» la phase de cette porteuse

nal contenant les informations est le


et l’émetteur/récepteur la gare. Il est maintenant

le modulant son générées par l’émetteur/récepteur. Il

u modulateur. Par la

entre autre, à un

la génération du signal modulant, à partir du flot

inalement nous allons décrire le principe de fonctionnement

planter ce circuit en pratique.

sinusoïdaux. Mais la

: très stable en fréquence, de

transmettre des informations sur différents canaux GSM),

programmable (la puissance en sortie du

. Nous avons donc choisie d’utiliser

pour générer la porteuse. Cette PLL est le circuit ADF4360-7 de

difficile à programmer. Nous allons utiliser un


4

PLL ADF4360-7

D’après la documentation constructeur

• Délai de verrouillage de la PLL

• 350MHz < Fréquence oscillation < 1800MH

PLL)

• 10MHz < Fréquence de référence < 250MH

l’extérieur de la PLL, par un Quartz)

• Trois registres de programmation

• Puissance en sortie programmable

• Interface de programmation série

• Trois registres de B, A, et

• Le rapport de division est égal à N= (B*P+A)

• La fréquence de référence peut être elle même

• Fréquence oscillation= (B*P+A)*(F

Le microcontrôleur interagis avec la PLL grâce à un bus externe nommé SPI, détaillé par la suite. Les

échanges se font en série. La PLL interagis avec le modulateur à travers le signal de porteuse. Voici

une vue globale des échanges de la PLL avec l’extérieur.

Rx, Tx

Microcontrôleur

ALTERA

Système RF

QPSK


D’après la documentation constructeur :

rrouillage de la PLL : 400µs

< Fréquence oscillation < 1800MHz (gamme de fréquence du signal en sortie de la

< Fréquence de référence < 250MHz (fréquence de référence de la PLL, généré à

l’extérieur de la PLL, par un Quartz)

Trois registres de programmation : CONTROL, N et R

Puissance en sortie programmable : -5dBm, -8dBm, -11dBm et -13dBm

Interface de programmation série

A, et P permettant de choisir très exactement la fréquence en sortie

Le rapport de division est égal à N= (B*P+A)

La fréquence de référence peut être elle même sous divisée par un compteur

= (B*P+A)*(Fréquence de référence/R) (B doit être supérieur à A)



nges de la PLL avec l’extérieur.

OL

SPI

PLL ADF4360

z (gamme de fréquence du signal en sortie de la

quence de référence de la PLL, généré à

P permettant de choisir très exactement la fréquence en sortie

divisée par un compteur R de 14 bits

B doit être supérieur à A)



ADF4360-7


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MUXOUT

Sur le schéma précédent OL représente la porteuse et Rx et Tx les données binaire reçus et

émises par le modulateur QPSK.

Bus SPI

Le bus SPI est un bus de communication inventé par MOTOROLA. C’est un bus série, qui

permet de dialoguer avec plusieurs dispositif simultanément. Ce bus contient les lignes MISO, MOSI,

SCLK et SSn. Les dispositifs communiquant sont classé

peut y avoir qu’un seul MASTER

dispositif qui contrôle tout les autres. C’est le MASTER qui décide avec quel SLAVE il souhaite

communiquer, en forçant la valeur «

reçues par le MASTER à travers le fil MISO et émise à travers le fil MOSI. Le fil SCLK est simplement

l’horloge globale de synchronisation de tous les dispositifs.

microcontrôleur et le SLAVE la PLL. Donc nous

SLAVE veuillent communiquer

programmés à travers le fil MOSI et la PLL renverra un signal MUXOUT sur le fil MISO pour

que son verrouillage est réussit. Voici une vue e

D’après la documentation d’ALTERA le bus SPI ne peut envoyer que des trames de 16 bits maximum,

tandis que les registres de la PLL

directement les 24 bits sur une seule trame. Pour cela nous av

programmer sur le NIOS du microcontrôleur.

Programmation du bus SPI

Il faut réussir à envoyer une trame de 24 sans que le bit SS0 repasse à «

ceci de deux façons différentes, soit nous envoyons trois trames de 8 bits soit deux trames de 12 bits.

Nous avons choisi la deuxième option. Pour

données, il faut le forcer en écrivant

tester l’état des bits TRDY et TMT pour vérifier

envoyer la prochaine. L’algorithme de ce programme se trouve


Microcontrôleur

SCLK

MOSI

SS0

MUXOUT



met de dialoguer avec plusieurs dispositif simultanément. Ce bus contient les lignes MISO, MOSI,

SCLK et SSn. Les dispositifs communiquant sont classés en deux catégories : MASTER et SLAVE.

un seul MASTER mais plusieurs SLAVES. Le MASTER comme son nom l’indique est le


communiquer, en forçant la valeur « 0 » sur la ligne SSn associé à ce SLAVE. Les informations sont

avers le fil MISO et émise à travers le fil MOSI. Le fil SCLK est simplement

l’horloge globale de synchronisation de tous les dispositifs. Pour notre système le MASTER sera le

microcontrôleur et le SLAVE la PLL. Donc nous n’avons pas à nous préoccuper du

SLAVE veuillent communiquer simultanément avec le MASTER. Les registres de la PLL seront

programmés à travers le fil MOSI et la PLL renverra un signal MUXOUT sur le fil MISO pour

. Voici une vue extérieur du microcontrôleur avec son


tandis que les registres de la PLL en font 24 bits. Il a donc fallut trouver un moyen

t les 24 bits sur une seule trame. Pour cela nous avons écrit un programme en C à

programmer sur le NIOS du microcontrôleur.

Programmation du bus SPI

envoyer une trame de 24 sans que le bit SS0 repasse à «

, soit nous envoyons trois trames de 8 bits soit deux trames de 12 bits.

la deuxième option. Pour maintenir le bit SS0 à 0 pendant tout l’

écrivant « 1 » sur le bit SSn du registre de contrôle

tester l’état des bits TRDY et TMT pour vérifier qu’une trame a bien été envoyée avant

L’algorithme de ce programme se trouve à la prochaine page.



met de dialoguer avec plusieurs dispositif simultanément. Ce bus contient les lignes MISO, MOSI,

: MASTER et SLAVE. Il ne

STER comme son nom l’indique est le


» sur la ligne SSn associé à ce SLAVE. Les informations sont

avers le fil MISO et émise à travers le fil MOSI. Le fil SCLK est simplement

notre système le MASTER sera le

préoccuper du faite que plusieurs

avec le MASTER. Les registres de la PLL seront

programmés à travers le fil MOSI et la PLL renverra un signal MUXOUT sur le fil MISO pour indiquer

avec son bus SPI.


font 24 bits. Il a donc fallut trouver un moyen d’envoyer

ons écrit un programme en C à

1 ». On peut réaliser

, soit nous envoyons trois trames de 8 bits soit deux trames de 12 bits.

0 pendant tout l’envoi des

contrôle du SPI. Puis il faut

trame a bien été envoyée avant de pouvoir

la prochaine page.


6

Oui

Oui


Mise à zéro de SS0 – activation

de la PLL

Envoi d’une première

trame bit de donnée sur

MOSI

TRDY = 0

TXDATA est vide

Envoi d’une deuxième

trame bit de donnée sur

MOSI

TMT = 0

TXDATA est vide

Mise à un de SS0 – désactivation

de la PLL


7

Voici une vue à l’oscilloscope du bus SPI

La même de douze bits est répétée, on peut bien distinguer toute les composantes du bus

SPI. Maintenant que nous possédons tous les outils pour programmer la PLL, il faut maintenant que

savoir ce qu’il faut écrire sur les trois

souhaité de la PLL.

Programmation de la PLL

La première étape de la programmation de la PLL est le choix de la fréquence d’oscillation.

Cette fréquence se trouve grâce à la formule suivante. Fosc = (B*P+A)

de 1 MHz imposé par le quartz. Nous avons quelques contraintes supplémentaires pour le calcul des

valeurs de P, A et R. Il faut que P soit égale à 8, 16, 32, 64. B doit être supérieur à A et supérieur à 3.

Puis il faut qu’à chaque incrémentation de A, la fréquence Fosc augmente de 200 KHz (espacement

entre deux canaux GSM). Apres calcul nous avons choisie c’est valeur pour obtenir une Fosc de 900

MHz : R=50, P=16, A=0 et B=281.

finalement choisir la puissance de sortie avec les bits «


du bus SPI



sur les trois registres R, N et CONTROL pour obtenir le fonctionnement

Programmation de la PLL


Cette fréquence se trouve grâce à la formule suivante. Fosc = (B*P+A)*Fref/R. Fref étant la fréquence

z imposé par le quartz. Nous avons quelques contraintes supplémentaires pour le calcul des


chaque incrémentation de A, la fréquence Fosc augmente de 200 KHz (espacement

. Apres calcul nous avons choisie c’est valeur pour obtenir une Fosc de 900

A=0 et B=281. Il faut écrire la valeur « 1 » sur « phase dete

finalement choisir la puissance de sortie avec les bits « output power level ».



N et CONTROL pour obtenir le fonctionnement


Fref étant la fréquence

z imposé par le quartz. Nous avons quelques contraintes supplémentaires pour le calcul des


chaque incrémentation de A, la fréquence Fosc augmente de 200 KHz (espacement

. Apres calcul nous avons choisie c’est valeur pour obtenir une Fosc de 900

phase detector polarity » et


8

Les autres bits seront forcés à leur valeur par défaut, car non utile pour notre utilisation de la PLL.

Finalement nous concluons par dire que les valeurs

1. 0x4FF120 pour le registre de control

2. 0x003802 pour le registre N

3. 0x0000C9 pour le registr

Voici le programme final. Ce programme sera exécuté à chaque fois qu’il faudra changer la

fréquence de la porteuse (à chaque changement de canal GSM).

fréquence à l’analyseur de spectre nous avons constaté que la fréquence en sortie de la PLL est très

stable, exacte et surtout très propre (faible taux d’harmonique).

Envoi du registre R

SS0=0 ;

Txdata 0x000 ;

Tant que (Trdy=0) ;

Txdata 0x0C9 ;

Attendre Tant que (TMT=0) ;

SS0=1;

Envoi du registre de contrôle

SSn=0 ;

Txdata 0x4FF ;

Attendre Tant que (Trdy=0) ;

Txdata 0x120 ;


SSN=1;

Attente 10 ms

Envoi du registre N

SS0=0 ;

Txdata 0x003 ;

Attendre Tant que (Trdy=0);

Txdata 0x802 ;


SSN=1;

Un programme est aussi implanté dans le microcontrôleur, pour détecter le moment où

MUXOUT est actif. Si MUXOUT est actif ceci veut dire que la PLL est verrouillée et qu’elle est prête à

l’emploi.



Finalement nous concluons par dire que les valeurs à écrire sur les différents registre sont

pour le registre de control

pour le registre N

pour le registre R

Ce programme sera exécuté à chaque fois qu’il faudra changer la

chaque changement de canal GSM). Apres quelques mesures de


stable, exacte et surtout très propre (faible taux d’harmonique).

est aussi implanté dans le microcontrôleur, pour détecter le moment où



écrire sur les différents registre sont ;

Ce programme sera exécuté à chaque fois qu’il faudra changer la

Apres quelques mesures de


est aussi implanté dans le microcontrôleur, pour détecter le moment où



9

Le signal modulant L’un des principaux avantages de la modulation QPSK

d’une paire de bits. Contrairement à la simple modulation PSK, qui repose sur le même principe de

fonctionnement, mais ne permet que l’envoi que d’un seul bit à la fois. La modulation permet donc

d’envoyer le double d’information sur une même période de temps. Mais pour ceci il faut modifier le

signal binaire contenant les informations pour le rendre compatible avec l’émetteur. Il faut entre

autre convertir le signal série en sortie du microcontrôleur en un signal p

signal binaire parallèle doit lui

modulateur choisie (MAX2021), ce traitement sera détailler lors de la description interne de

l’émetteur.

Conversion Série-Parallèle

La modulation QPSK permet l’envoi simultané d’une paire de bit. Donc le modulateur doit

disposer à l’instant d’émission deux bits. Il faut donc relier les entrées binaires (I et Q) du modulateur

à un bus parallèle de deux bits. La bus sortie du microcontr

effectuer une conversion série-

diviser le signal en deux signaux parallèle I et Q. Q contient les bits pairs et I les bits impairs du signal

série.

Schéma global

La fréquence du signal série est donc deux fois supérieure à la fréquence des signaux I et Q,

voila pourquoi la modulation QPSK permet le transfert des signaux deux fois plus vite.

Exemple

On souhaite envoyer la trame binaire 00011011010

par exemple, au mot « allo » prononcer par une personne sur le microphone de son téléphone

portable.

• Signal série : « 0001101101011101

• I : « 00110010 »

• Q : « 01011111 »

• Le modulateur recevra donc les paires (10) (11) (1

On constate qu’il existe quatre paires de bit distinctes (00) (01) (10) (10), il est

différencier quatre états de phase différents pour que le récepteur puisse interpréter la totalité des

paire possible. La conversion série

modulant mais pas la seule, pour arriver à émettre correctement ce signal. On peut aussi jouer sur

l’occupation spectrale du signal modulant.

Signal Série


L’un des principaux avantages de la modulation QPSK est, la possibilité de l’envoi simultané



e d’information sur une même période de temps. Mais pour ceci il faut modifier le


autre convertir le signal série en sortie du microcontrôleur en un signal parallèle de deux bits. Ce

signal binaire parallèle doit lui-même être traiter pour être électriquement compatible avec le


Parallèle



à un bus parallèle de deux bits. La bus sortie du microcontrôleur est de type série il faut donc

-parallèle. Le principe de cette conversion est assez simple, il faut




On souhaite envoyer la trame binaire 0001101101011101 qui correspond numériquement

» prononcer par une personne sur le microphone de son téléphone

1101101011101 »

Le modulateur recevra donc les paires (10) (11) (10) (10) (11) (01) (00) à la suite.

On constate qu’il existe quatre paires de bit distinctes (00) (01) (10) (10), il est


e. La conversion série-parallèle est la seule transformation indispensable du signal


l’occupation spectrale du signal modulant.

Convertisseur Série-Paralléle Q (bits paires)

I (bits impaires)

est, la possibilité de l’envoi simultané



e d’information sur une même période de temps. Mais pour ceci il faut modifier le


arallèle de deux bits. Ce

même être traiter pour être électriquement compatible avec le




ôleur est de type série il faut donc

parallèle. Le principe de cette conversion est assez simple, il faut




11101 qui correspond numériquement

» prononcer par une personne sur le microphone de son téléphone

11) (01) (00) à la suite.

On constate qu’il existe quatre paires de bit distinctes (00) (01) (10) (10), il est donc nécessaire de


parallèle est la seule transformation indispensable du signal


Q (bits paires)

I (bits impaires)


10

Occupation Spectrale

On constate à l’analyseur de spectre que le spectre du signal modulé s’étale sur une largeur

2*fc autour de la porteuse, fc étant la fréquence max du signal modulant. Si l’on souhaite utiliser ce

915Mhz). Mais comme nous ne somme pas les seuls à utiliser cett

allouée, il faut la partager entre 124 utilisateurs maximum,

200kHz de bande passante. Le signal modulant est un signal carré, ce qui implique que son

occupation spectrale s’étend de

fondamental est égale au débit binaire des signaux I et Q. Par exemple un débit de 20K

pour fondamental 20kHz. Donc pour éviter l’encombrement spectral de notre système il fau

les signaux I et Q. On place donc un filtre passe

convertisseur série-parallèle et le modulateur.

Schéma global

Voici des images qui nous

coupure fc distincte. Avec un débit binaire sur I de 20kH

I

Q

Ocupation spectrale 2*fc

Frequence porteuse = 900M


onstate à l’analyseur de spectre que le spectre du signal modulé s’étale sur une largeur


Mhz). Mais comme nous ne somme pas les seuls à utiliser cette bande de fréquence qui nous est

allouée, il faut la partager entre 124 utilisateurs maximum, ce qui nous laisse plus que 25MHz/124 =

z de bande passante. Le signal modulant est un signal carré, ce qui implique que son

fd à l’infinie, fd étant la fréquence du fondamental. La fréquence du

fondamental est égale au débit binaire des signaux I et Q. Par exemple un débit de 20K

z. Donc pour éviter l’encombrement spectral de notre système il fau

les signaux I et Q. On place donc un filtre passe-bas à capacité commuté d’ordre très grand entre le

parallèle et le modulateur.

Voici une image provenant d’un analyseur de

spectre qui montre l’occupation spectrale du

signal modulé.

montre la relation entre I et I filtré, pour une deux fréquence de

c un débit binaire sur I de 20kHz

• Fc > 20kHz

• En jaune le signal I

• En bleu le signal I filtré

• Une partie des harmoniques sont filtrées

l’occupation spectrale peut encore être réduite.

Filtre Passe-Bas

Ocupation spectrale 2*fc

Frequence porteuse = 900MHz

onstate à l’analyseur de spectre que le spectre du signal modulé s’étale sur une largeur


e bande de fréquence qui nous est

ce qui nous laisse plus que 25MHz/124 =

z de bande passante. Le signal modulant est un signal carré, ce qui implique que son

fondamental. La fréquence du

fondamental est égale au débit binaire des signaux I et Q. Par exemple un débit de 20Kbit/s aura

z. Donc pour éviter l’encombrement spectral de notre système il faut filtrer

bas à capacité commuté d’ordre très grand entre le

Voici une image provenant d’un analyseur de

spectre qui montre l’occupation spectrale du

pour une deux fréquence de

Une partie des harmoniques sont filtrées, mais

’occupation spectrale peut encore être réduite.

I filtré

Q filtré


11

En conclusion si nous le filtre implanté est de très grand ordre et de bonne qualité, on ne garde

que le fondamental, alors le débit maximal th

pour le signal modulant. Mais pendant la

débit était trop important le modulateur se comportait étrangement, il créait des états de phase

parasites. Si on ajoute le faite que le filtrage n’est p

de sécurité entre 2 canaux. Ceci réduit sensiblement notre débit maximal.

prendre en compte est que, la réduction de la fréquence de coupure du filtre passe

dégradation au niveau du diagramme de l’œil (œil plus étroit). Ceci rend plus dure la

signal » par le démodulateur. Il ne faut donc pas trop réduire la fréquence de coupure du filtre, à

défaut de perdre les informations transmissent au niveau du récepteur.

Modulation QPSK Comme décrit précédemment, le principe de la modulat

de la porteuse en fonction du signal modulant. Voici une représentation temporelle du signal

modulé, on voit bien apparaitre les quatre états de phase de la porteuse.


• Fc = 20kHz

• En jaune le signal I

• En bleu le signal I filtré

• Toutes les harmoniques sont filtrées,

spectrale de I est minimale.

on si nous le filtre implanté est de très grand ordre et de bonne qualité, on ne garde

que le fondamental, alors le débit maximal théorique de I et Q serait de 200Kbits/s, donc 400kbits/s

pour le signal modulant. Mais pendant la séance de TP nous nous sommes rendu compte,


. Si on ajoute le faite que le filtrage n’est pas parfait et qu’il faut garder une bande spectrale

aux. Ceci réduit sensiblement notre débit maximal. Un autre problème à

prendre en compte est que, la réduction de la fréquence de coupure du filtre passe

dégradation au niveau du diagramme de l’œil (œil plus étroit). Ceci rend plus dure la

» par le démodulateur. Il ne faut donc pas trop réduire la fréquence de coupure du filtre, à

défaut de perdre les informations transmissent au niveau du récepteur.

précédemment, le principe de la modulation QPSK est de faire varier la phase


modulé, on voit bien apparaitre les quatre états de phase de la porteuse.

harmoniques sont filtrées, l’occupation

on si nous le filtre implanté est de très grand ordre et de bonne qualité, on ne garde

Kbits/s, donc 400kbits/s

es rendu compte, que si le


il faut garder une bande spectrale

Un autre problème à

prendre en compte est que, la réduction de la fréquence de coupure du filtre passe-bas entraine une

dégradation au niveau du diagramme de l’œil (œil plus étroit). Ceci rend plus dure la « lecture du

» par le démodulateur. Il ne faut donc pas trop réduire la fréquence de coupure du filtre, à

ion QPSK est de faire varier la phase



12

On peut voir que pour chaque variation de I o

automatiquement. Les quatre états de phase possible sont au choix du concepteur, tout en prenant

en compte que le démodulateur soit en mesure de les reconnaitre. Il faut aussi savoir que le

modulateur ne délivre pas touj

combinaison de bits en entrée.

appelées, bruit de phase. Si ce bruit est très important, les différentes phases peuvent se

superposées, entrainant des erreurs lors de la

démodulateur. Il faudra donc que le concepteur choisisse des états de phase éloigné

les uns des autres. Les quatre états

couramment utilisées sont [0°, 90°, 180° 270°] et [45°, 135°, 225°, 315°]. Voici une représentation

polaire de cette dernière.

Voici le schéma représentant le principe de la modulation dans le circuit MAX 2021.

Les signaux I et Q sont respectivement multipliés par la

porteuse et par la porteuse déphasée de 90°. Puis le

sommé afin d’obtenir un seul signal. La théorie mathématique qui

est la base de ces opérations est détaillé

« démodulation ». La modulation QPSK permet aussi d’envoyer la

porteuse sur le signal modulé. La porteuse est né

la démodulation, car le signal modulé est déphasé par rapport à

celle-ci. Finalement il suffit de rajouté un filtre passe

centré sur la fréquence de la porteuse. Ce filtre est

éliminer les harmoniques parasites créées lo

multiplication. Maintenant que nous savons comment le signal est

modulé, il faut que l’on étudie la démodulation.


que pour chaque variation de I ou Q, la phase de la porteuse change



modulateur ne délivre pas toujours exactement la valeur de phase prédéfinie

. Ces oscillations non prévisibles en sortie du démodulateur

bruit de phase. Si ce bruit est très important, les différentes phases peuvent se

erposées, entrainant des erreurs lors de la communication ente le modulateur et le

. Il faudra donc que le concepteur choisisse des états de phase éloigné

es quatre états de phase sont donc espacés de 90°. Les


Le bruit de phase de l’émetteur est

en rouge. Ce qui signifie qu’en pratique

pour la paire de bit [00] n’est pas exactement 45°

mais plutôt une phase compris

rouge. Le démodulateur doit,

capable de reconnaitre la paire de bit [00] dans

cette gamme de phase.

En TP nous avons constaté que le bruit de phase

augmente si l’on augmente le débit binaire de I et

de Q.


Les signaux I et Q sont respectivement multipliés par la

porteuse et par la porteuse déphasée de 90°. Puis le tout est

sommé afin d’obtenir un seul signal. La théorie mathématique qui

est la base de ces opérations est détaillée dans la prochaine partie

. La modulation QPSK permet aussi d’envoyer la

signal modulé. La porteuse est nécessaire lors de

la démodulation, car le signal modulé est déphasé par rapport à

inalement il suffit de rajouté un filtre passe-bande

centré sur la fréquence de la porteuse. Ce filtre est utilisé pour

éliminer les harmoniques parasites créées lors de la

Maintenant que nous savons comment le signal est

modulé, il faut que l’on étudie la démodulation.

I

Porteuse

Q

u Q, la phase de la porteuse change



prédéfinie pour une certaine

du démodulateur seront

bruit de phase. Si ce bruit est très important, les différentes phases peuvent se

communication ente le modulateur et le

. Il faudra donc que le concepteur choisisse des états de phase éloignés au maximum

de 90°. Les combinaisons les


Le bruit de phase de l’émetteur est ici, représenté

qu’en pratique, la phase

la paire de bit [00] n’est pas exactement 45°

mais plutôt une phase comprise dans la zone

doit, bien sur, être

de reconnaitre la paire de bit [00] dans

En TP nous avons constaté que le bruit de phase

gmente si l’on augmente le débit binaire de I et


Signal Modulé


13

Démodulation QPSK Le principe théorique

modulation. Dans cette partie nous allons adopter une approche plus mathématique du principe de

démodulation. Voici tout d’abord un schéma du circuit de l’émetteur/

Le récepteur est superhétérodyne, ceci veut dire qu’il ya une double tr

fréquence dans la chaine de démodulation.

signal en sortie du modulateur. On considérera que l’on

démodulateur (on néglige les perturbations liés au milieu de propagation).

S(t)

S(t) = I(t)*cos (wol*t+

La première étape lors de la réception

d’une fréquence de 10 MHz. Ceci à beaucoup d’avantages

• Pas besoin d’utiliser des composants hautes fréquences. On réduit ainsi le cout et on

simplifie le circuit.

• On démodule toujours autour de 10 Mhz même si la fréquence de porteuse change

(changement de canal RF).

• On utilise des composants à faible bande

bruit dans le système.

En réception après calcul, on trouve


de la démodulation est quasiment identique que

nous allons adopter une approche plus mathématique du principe de

Voici tout d’abord un schéma du circuit de l’émetteur/récepteur.

Le récepteur est superhétérodyne, ceci veut dire qu’il ya une double tr

ne de démodulation. Avant tout il faut d’abord trouver quel est l’expression du

signal en sortie du modulateur. On considérera que l’on retrouve ce même signal en entrée du

démodulateur (on néglige les perturbations liés au milieu de propagation).

= I(t)*cos (wol*t+φr) + Q(t)*cos (wol*t+φr +π/2)

<=>

S(t) = I(t)*cos (wol*t+φr) - Q(t)*sin (wol*t+φr)

La première étape lors de la réception de S(t) est d’amplifié puis de transposé ce signal autour

d’une fréquence de 10 MHz. Ceci à beaucoup d’avantages :

iser des composants hautes fréquences. On réduit ainsi le cout et on

On démodule toujours autour de 10 Mhz même si la fréquence de porteuse change

(changement de canal RF).

se des composants à faible bande passante pour la démodulation, ce qui

après calcul, on trouve

Rx_Q = Q(t)/2 et Rx_I = I(t)/2

identique que celui de la

nous allons adopter une approche plus mathématique du principe de

Le récepteur est superhétérodyne, ceci veut dire qu’il ya une double transposition en

trouver quel est l’expression du

ce même signal en entrée du

+π/2)

de transposé ce signal autour

iser des composants hautes fréquences. On réduit ainsi le cout et on

On démodule toujours autour de 10 Mhz même si la fréquence de porteuse change

odulation, ce qui réduit le


14

Mais si la fréquence de la porteuse

la porteuse utilisée en émission. Wolr = po

émission et Wd = Wol – Wolr.

Alors en réception on trouve

Rx_Q = Q(t)*cos(Wd) + I(t)*sin(Wd)

On peut remarquer que dans ce cas le signal reçu est très déformé

émis, il faut donc minimiser Wd si l’on veut obtenir une réception correcte des informations.

Il y a un moyen d’éliminer Wd, il faut envoyer la porteuse lors de la modulation et surtout il

faut la récupérer lors de la démodulation. P

utilisons le montage suivant.

En sortie de ce montage composé d’un multiplicateur de fréquence par 4, puis d’une PLL et

finalement d’un diviseur de fréquence

K*2π (une constante). On récupère

se trouve. Puis il suffit d’utiliser cette porteuse dans les calculs vus précédemment et la

démodulation est finie.

Conception des circuits de mise en forme

base (Emetteur) Comme vue sur le schéma précédent, les signaux I et Q doivent être mise en forme

électriquement avant de pourvoir être envoyés sur les entrées du MAX 2021.

entrée du MAX 2021 doivent être sous

deux fil, il faut créer quatre signaux I

transformation permet de rendre I et Q moins sensible au bruit

électromagnétique entrainant une perte de potentiel de 0.5v sur le signal I, cette

entraine une perte de potentielle sur les deux signaux I

tension différentiel, I = (I+)-(I-) reste la même. Il

modulés. Mais cette amplification doit être

contrôlable en tension. Pour cela nous allons utiliser deux circuits le THS4505 pour convertir I

en I-, I+, Q- et Q+ et le LM13700 pour apporter le gain contrôlable en tension.


Mais si la fréquence de la porteuse régénérée en réception n’est pas exactement identique

en émission. Wolr = porteuse régénérée en réception, Wol = porteuse utilisée en

Rx_Q = Q(t)*cos(Wd) + I(t)*sin(Wd) et Rx_I = I(t)*cos(Wd) + Q(t)*sin(Wd)

que dans ce cas le signal reçu est très déformé par rapport au signal


un moyen d’éliminer Wd, il faut envoyer la porteuse lors de la modulation et surtout il

faut la récupérer lors de la démodulation. Pour récupérer la porteuse lors de la réception nous


finalement d’un diviseur de fréquence, nous obtenons le signal (A4/8)*cos (Wol*t+

récupère la porteuse indépendamment de l’état de phase

Puis il suffit d’utiliser cette porteuse dans les calculs vus précédemment et la

Conception des circuits de mise en forme des signaux en bande de

Comme vue sur le schéma précédent, les signaux I et Q doivent être mise en forme

électriquement avant de pourvoir être envoyés sur les entrées du MAX 2021. Les signaux I et Q en

entrée du MAX 2021 doivent être sous forme différentielle. C'est-à-dire, qu’à partir de I et de Q sur

deux fil, il faut créer quatre signaux I-, I+, Q- et Q+. Avec I = (I+)-(I-) et Q = (Q+)

transformation permet de rendre I et Q moins sensible au bruit. Car si

lectromagnétique entrainant une perte de potentiel de 0.5v sur le signal I, cette

entraine une perte de potentielle sur les deux signaux I- et I+ (car les fils sont cotes à cotes). La

) reste la même. Il faut aussi amplifier les signaux I et Q

. Mais cette amplification doit être variable, c’est pour cela que l’on ajoute un circuit à gain

contrôlable en tension. Pour cela nous allons utiliser deux circuits le THS4505 pour convertir I

et le LM13700 pour apporter le gain contrôlable en tension.

en réception n’est pas exactement identique à

rteuse régénérée en réception, Wol = porteuse utilisée en

Rx_I = I(t)*cos(Wd) + Q(t)*sin(Wd)

par rapport au signal


un moyen d’éliminer Wd, il faut envoyer la porteuse lors de la modulation et surtout il

our récupérer la porteuse lors de la réception nous


Wol*t+C) avec C = φr+

phase dans lequel on

Puis il suffit d’utiliser cette porteuse dans les calculs vus précédemment et la

des signaux en bande de

Comme vue sur le schéma précédent, les signaux I et Q doivent être mise en forme

Les signaux I et Q en

qu’à partir de I et de Q sur

) et Q = (Q+)-(Q-). Cette

si une perturbation

lectromagnétique entrainant une perte de potentiel de 0.5v sur le signal I, cette même perturbation

et I+ (car les fils sont cotes à cotes). La

aussi amplifier les signaux I et Q avant de les

, c’est pour cela que l’on ajoute un circuit à gain

contrôlable en tension. Pour cela nous allons utiliser deux circuits le THS4505 pour convertir I et Q


15

THS4505

Voici le circuit que nous avons implanté autour du THS4505.

Il faut bien noter la valeur de R13 = 50 Ohm, indispensable pour l’adaptation

circuit et pour assurer son bon fonctionnement. Nous avons envoyés en entrée un signal qui simule

le bus SPI du microcontrôleur

temporelle du circuit.

Sur la simulation précédente on voit bien qu

correctement. Nous avons réglé le gain du circuit à 1, ainsi le gain total du circuit de mise en forme

sera déterminé par le circuit LM13700. Nous

pour déterminer sa bande passante.

Vin

(I+) - (I-)


Voici le circuit que nous avons implanté autour du THS4505.

Il faut bien noter la valeur de R13 = 50 Ohm, indispensable pour l’adaptation

son bon fonctionnement. Nous avons envoyés en entrée un signal qui simule

le bus SPI du microcontrôleur (fréquence = 200kHz, amplitude =3.3V). Voici une simulation

précédente on voit bien que Vin = (V+)-(V-), donc le circuit fonctionne


sera déterminé par le circuit LM13700. Nous avons aussi effectué une analyse temporelle du circuit

erminer sa bande passante.

Il faut bien noter la valeur de R13 = 50 Ohm, indispensable pour l’adaptation en entrée du

son bon fonctionnement. Nous avons envoyés en entrée un signal qui simule

Voici une simulation

), donc le circuit fonctionne


aussi effectué une analyse temporelle du circuit


16

On peut voir que le gain du circuit est constant jusqu’à 7MHz. Ce qui est parfait, car notre

utilisation se limite à 200kHz.

transconductance LM13700.

LM13700

Manipuler des signaux à haute

sur le gain des signaux avant de les modulés. C’est pour cette raison

amplifiés par un amplificateur à transconductance

Voici le circuit que nous avons implanté autour de l’amplificateur à transconductance

LM13700.

Voici la simulation temporelle du circuit pour différentes valeurs de gain.

La simulation a été réalisée avec un signal sinu

résultat était le même.

Vg = 10v Vg = 8v Vg=6v



Maintenant il ne nous reste plus qu’à implémenter le circuit à

puler des signaux à hautes fréquences est assez délicat. Il est donc préférable d

sur le gain des signaux avant de les modulés. C’est pour cette raison que les signaux I et Q sont

amplifiés par un amplificateur à transconductance directement dans le circuit de mise en forme.

ue nous avons implanté autour de l’amplificateur à transconductance

Voici la simulation temporelle du circuit pour différentes valeurs de gain.

La simulation a été réalisée avec un signal sinusoïdal en entrée, mais avec un signal carré le


Maintenant il ne nous reste plus qu’à implémenter le circuit à

est assez délicat. Il est donc préférable de jouer

que les signaux I et Q sont

circuit de mise en forme.

ue nous avons implanté autour de l’amplificateur à transconductance

soïdal en entrée, mais avec un signal carré le


17

Voici une simulation fréquentielle du circuit pour différente valeur de Vg.

On peut constater que le gain chute au delà de 200kHz, il faut donc faire attention si l’on

souhaite augmenter le débit binaire au delà de 200kbits/s.

Pour ce qui est du filtre passe

ce filtre est celui que l’on utilise pour réduire l’occupation spectrale des signaux I et Q

précédemment. Sa fréquence de coupure

mise en forme, nous avons remplacé le filtre par son circuit équivalent

bande passante de celui-ci, un A

et l’entrée du THS4505.

Circuit complet

Voici la simulation temporelle du


Voici une simulation fréquentielle du circuit pour différente valeur de Vg.


gmenter le débit binaire au delà de 200kbits/s.

du filtre passe-bas à capacité commuté, nous n’avons pas pu le simuler, mais

que l’on utilise pour réduire l’occupation spectrale des signaux I et Q

fréquence de coupure est fixée à 200kHz. Pour la simulation du circuit complet de

mise en forme, nous avons remplacé le filtre par son circuit équivalent ; quand on se trouve dans la

ci, un AOP monté en suiveur, pour adapter en tension la sortie du LM13700

Voici la simulation temporelle du système.

200 kHz


bas à capacité commuté, nous n’avons pas pu le simuler, mais

que l’on utilise pour réduire l’occupation spectrale des signaux I et Q décrit

fixée à 200kHz. Pour la simulation du circuit complet de

quand on se trouve dans la

sion la sortie du LM13700


18

On peut conclure que le circuit fonctionne correctement, la tension

circuit de mise en forme est bien l’

Conclusion En conclusion, on voudrait terminer par dire que ce projet à été très intéressant. Il nous a

permis de mieux comprendre les bases de la modulation QPSK. Mais le projet n’est pas assez

équilibré, la partie télécoms est excessivement majoritaire par rapport à la partie système.

Vin


On peut conclure que le circuit fonctionne correctement, la tension différentielle

bien l’image de la tension d’entrée amplifiée.

En conclusion, on voudrait terminer par dire que ce projet à été très intéressant. Il nous a


est excessivement majoritaire par rapport à la partie système.

Vout système

différentielle en sortie

En conclusion, on voudrait terminer par dire que ce projet à été très intéressant. Il nous a


est excessivement majoritaire par rapport à la partie système.

la modulation démodulation qpsk - freegary.lagin.free.fr/files/projet_modem.pdfsignaux télécoms...

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