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MIC4240 Principes de communications II 1/12

LABORATOIRE : Modulation par déplacement de fréquence(partie 1)

1 OBJECTIFS

Au terme de ce laboratoire, vous serez familiers avec les principes de la transmission numérique par Modulation par Déplacement de Fréquence (MDF). En plus de visualiser les signaux modulés dans le domaine temporel et dans le domaine fréquentiel et de mesurer les exigences en largeur de bande, vous aurez l’occasion, dans la deuxième partie, d’évaluer la performance de la MDF en présence de bruit.

2 NOTIONS THÉORIQUES

2.1 Principe de base

En modulation de numérique, on utilise un signal de données en bande de base pour moduler unecaractéristique d'un signal porteur. Par exemple, si on modifie l’amplitude de la porteuse, on effectue une Modulation par Déplacement d’Amplitude (MDA). En modulation par déplacement de fréquence, les 1s et les 0s du signal de données binaires sont transmis en commutant la fréquence de la porteuse entre deux valeurs de fréquence, l’amplitude de porteuse demeurant constante.

La MDF a beaucoup en commun avec la MDA. En théorie, un signal MDF pourrait être obtenu en superposant deux signaux MDA ayant des fréquences de porteuses différentes. La MDF est beaucoup plus utilisée que la MDA pour la transmission de données, sans doute en raison des nombreux avantages qu’elle offre: elle est beaucoup moins sensible aux dégradations du canal etrésiste généralement mieux au bruit. La largeur de bande requise pour la MDF est légèrement plus grande que pour MDA.

2.2 MDF binaire

Dans ce laboratoire, nous étudions la forme la plus simple de MDF, la MDF binaire, dans laquelle la fréquence instantanée de la porteuse est déplacée vers deux valeurs selon le signal de données. Un 1 binaire du signal de données place la fréquence de porteuse à la fréquence fm dite de travail ou active (mark), alors qu’un 0 binaire du signal de données place la fréquence de porteuse à la fréquence fs dite de repos (space). La Figure 3-1 montre un signal de données binaire et un signal MDF binaire idéalisé. Comme on peut le voir sur la figure, le signal MDF peut être considéré comme la superposition de deux signaux MDA des fréquences porteuses différentes. Selon cette interprétation, il serait possible de générer un signal MDF en utilisant le signal de données binaire pour commuter entre deux oscillateurs réglés sur des fréquences différentes. Une autre méthode de produire un signal MDF consiste à utiliser le train binaire pourmoduler la fréquence d'un oscillateur commandé par une tension (VCO).


Figure 3-1. Signal MDF binaire idéalisé.

2.3 Caractéristiques temporelles des signaux MDF

Dans le domaine temporel, un signal MDF apparaît comme une sinusoïde d'amplitude constante dont la fréquence instantanée alterne entre deux valeurs. Qu’un signal idéal MDF soit produit en superposant deux signaux MDA ou en utilisant un VCO, la porteuse doit être synchronisée avec les données et les deux fréquences utilisées devraient être des multiples exacts. Autrement, il y aura des transitions de phase indésirables dans le signal MDF, ce qui donne lieu à des composantes de fréquence indésirables dans le spectre du signal modulé. La plupart des modems MDF sont conçus pour éliminer ces transitions de phase de façon à produire un signal modulé avec continuité de phase. Par exemple, si la méthode du VCO est utilisée pour produire le signal MDF, l'entrée du VCO peut être limitée en bande pour assurer une transition douce d'une fréquence à l'autre. Une autre méthode consiste à retarder légèrement chaque transition de fréquence du signal MDF de sorte qu'elle se produise pendant que l'amplitude instantanée de porteuse passe par zéro. De plus, le signal MDF est habituellement filtré par un filtre passe-bande avant transmission pour atténuer les composantes de fréquence non-désirées.

En MDF binaire, il y a deux valeurs de paramètres distinctes de signal, correspondant aux 1 et 0 binaires. Puisqu'un bit est transmis par valeur de paramètre, le nombre de baud (le nombre de valeurs de paramètres spécifiées par seconde) d'un signal MDF égale le débit binaire.

2.4 Caractéristiques fréquentielles des signaux MDF

Pour faciliter l'étude des caractéristiques fréquentielles des signaux de MDF, définissons la fréquence centrale et la déviation de fréquence. En supposant que les fréquences de travail et de repos sont fm et fs respectivement, la fréquence centrale fctr est à mi-chemin entre fm et fs . La déviation de fréquence f est la valeur absolue de la différence entre la fréquence centrale et fm ou fs, tel qu’illustré sur la Figure 3-2.

La puissance du signal modulé n’est pas concentrée uniquement aux deux fréquences fm et fs maiss’étend sur un spectre plus large autour de la fréquence centrale fctr. Le spectre du signal MDF


dépend des fréquences et du débit binaire Rb utilisés. Le rapport f / Rb détermine la forme du spectre. Pour de grandes valeurs du rapport (f / Rb > 0,5), le spectre ressemble à deux spectres de signaux MDA superposés avec peu de puissance entre les deux pics, tel qu’illustré sur la Figure 3-3 (a). Plus le rapport diminue, plus la puissance entre fm et fs diminue, tel qu’illustré sur la Figure 3-3 (b).

La Figure 3-3 illustre clairement l'effet du rapport f / Rb sur le spectre d'un signal MDF. Cependant, le signal utilisé pour produire cette figure n'a pas été obtenu à l'aide d'un modem réel, mais par la technique du VCO en utilisant des fréquences qui ne sont pas typiques des modems MDF commerciaux. La Figure 3-4 montre le spectre d'un signal MDF produit par un modem MDF commercial. Bien que le spectre soit étroit, on peut voir qu'il ressemble en gros à lasuperposition de deux spectres MDA.

Figure 3-2. Spectre MDF simplifié.


Figure 3-3. L'effet du rapport f / Rb sur le spectre d'un signal MDF.


Figure 3-4. Spectre du signal MDF d'un modem.

Puisque le démodulateur MDF détecte seulement les fréquences près de fm et fs, la puissance qui se trouve entre ces deux fréquences dans le spectre est gaspillée et nuit en fait à une démodulation précise. Par conséquent, le rapport f / Rb ne doit pas être trop faible. Le rapport utilisé résulte d’un compromis car on veut habituellement que le débit binaire soit aussi élevé que possible. Pour permettre un débit binaire plus élevé, la déviation de fréquence devrait être augmentée, mais la déviation de fréquence est habituellement limitée par la largeur de bande disponible sur le canal. On choisit souvent un rapport f / Rb approximativement égal à 0,3 comme compromis.

Pour assurer une démodulation correcte du signal MDF, les deux pics du spectre plus une partie du spectre de chaque côté des deux pics doivent être transmis au démodulateur. Comme illustré sur la Figure 3-6, la largeur de bande effective d'un signal MDF est un peu plus de deux fois plus grande que le débit binaire. C'est plus que pour des signaux MDA ou MDP pour lesquels la largeur de bande effective est approximativement égale à deux fois le débit binaire.

2.5 Démodulation des signaux MDF

La démodulation non-cohérente des signaux MDF peut être effectuée en utilisant deux filtres passe-bande accordés sur les fréquences fm et fs , tel qu’illustré sur la Figure 3-5. Les détecteurs d'enveloppe convertissent les sorties des filtres passe-bande en tensions C.C. VA et VB qui sont proportionnelles au niveau de signal dans la bande des filtres correspondants. Ces deux tensions C.C. sont soustraites et la différence VA -VB est acheminée au circuit de décision. Lorsque VA VB est positif, la sortie de données est haute (1 binaire), alors que lorsque VA -VB est négatif, la sortiede données est basse (0 binaire). D'une façon générale, la largeur de bande des filtres est approximativement égale au débit binaire pour lequel le modem a été conçu.


Figure 3-5. Démodulateur MDF non-cohérent.

De façon générale, l’ajustement d’un seuil de décision est critique et un seuil mal ajusté peut sérieusement dégrader le fonctionnement d’un démodulateur. Dans le cas d’un modem MDF, le seuil est fixé à zéro, indépendamment de l'amplitude de la porteuse. Ceci rend la MDF moins sensible aux dégradations du canal que la MDA. En effet, en MDA, le seuil doit être constamment ajusté en fonction de la force du signal reçu qui peut varier avec le temps selon les dégradations du canal.

Des différents types de modulation numérique généralement utilisés, la MDF est la moins efficace en largeur de bande. Cependant, la réalisation pratique est souvent très simple et donc peu coûteuse. La MDF avec démodulation non-cohérente est très répandue en pratique en raison de sa simplicité, son faible coût et ses performances acceptables.

3 MANIPULATIONS

Dans cette manipulation, on produit et démodule des signaux MDF à l'aide du modem MDF. La Figure 3-6 illustre la Figure-bloc du système utilisé. Le générateur d’horloge fournit un signal d'horloge au générateur de séquences binaires pseudo-aléatoires, qui génère un signal de données. Le signal de données est acheminé au modem MDF. Il y a deux connecteurs pour des points de test sur la façade du modem MDF : un pour TP1-TP8, l'autre pour TP9-TP16. TP1-TP8sont reliés aux entrées de l’interrupteur/sélecteur de signal.

Figure 3-6. Système pour observer les caractéristiques de la MDF.

Le modem MDF consiste principalement en une interface numérique, un


modulateur/démodulateur et une interface de ligne, comme illustré sur la façade du modem. L'interface numérique permet d’interfacer l’entrée et la sortie des signaux de données par l'intermédiaire du connecteur TTL ou du connecteur RS-232. Un commutateur permet de choisir l’interface TTL ou RS-232.

Le connecteur de RS-232 permet le branchement direct du modem MDF à un ordinateur ou à un terminal. L'ordinateur ou le terminal fournit alors non seulement le signal de données, mais également de divers signaux de commande au modem. Quand les connecteurs TTL sont utilisés, comme dans cette manipulation, seul le signal de données peut être fourni au modem. Dans ce cas-ci, trois des signaux de commande, DTR, RTS et BRTS doivent être réglés manuellement à l'aide des commutateurs à l'intérieur du modem.

Le commutateur de choix de MODE permet de choisir un de 8 standards de modems et modes différents. Le commutateur de LIGNE est utilisé pour choisir la transmission à deux fils ou à quatre fils.

Le mode d’essai en boucle est une méthode de test qui ramène les signaux à leur point d'origine (d’où la boucle). Cette technique de ré-alimentation analogique permet d’effectuer des tests avec un seul modem. Le signal MDF de sortie du modulateur est ré-introduit à l'entrée de démodulateur du même modem.

Pour permettre au modem de démoduler son propre signal MDF, les filtres dans le démodulateur doivent être accordé aux fréquences utilisées pour la transmission. Le commutateur d’essai en boucle met le modem MDF dans le mode de ré-alimentation analogique en adaptant le modulateur et le démodulateur pour opérer aux mêmes fréquences. Le modem doit être utilisé en en mode 4-fils, et l'ENTRÉE du MODE 4-fils doit être reliée à la sortie du MODE 4-fils. Le signal de données à la sortie du modem devrait alors être identique au signal de données à l'entrée, excepté pour un certain délai.

Avec le modem MDF, on observera l'effet d’un changement du rapport f / Rb sur le spectre du signal modulé. Afin de visualiser plus facilement cet effet, un signal MDF sera produit à l'aide dugénérateur de fonction double en mode VCO, ce qui permet d’utiliser des fréquences différentes de celles des modems MDF standards. Comme illustré sur la Figure 3-7, le canal B du générateurde fonction double produit un signal d'horloge, et le canal A produit le signal de porteuse sinusoïdal. La fréquence du canal A est modulée par le signal de données produit par le générateur binaire pseudo-aléatoire.


Figure 3-7. Système pour observer l'effet du rapport f / Rb sur le spectre du signal moduléMDF.

3.1 PROCÉDURE

1. Installez les modules comme représenté sur la Figure 3-8. Assurez-vous que toutes les commandes de NIVEAU et de GAIN sont en position MIN et CAL, et placez tous les interrupteurs d’alimentation en position 1 (en marche).

Figure 3-8. Configuration des modules.


Figure 3-9. Branchements pour l’observation des signaux MDF dans le domaine temporel.

2. Référez-vous à la Figure 3-9, et effectuez les connexions suivantes : Installez un connecteur BNC-T à la SORTIE 4 (K=16) du générateur de signaux

d’horloge .

Reliez les modules comme illustré.

3. Ouvrez le modem MDF et localisez le commutateur DIP identifié S6 à la gauche de la carte de circuit. Placez les commutateurs DTR et RTS en position B. Placez le commutateur BRTSen position A. Le modem est ainsi préparé pour transmettre ou recevoir.

4. Effectuez les réglages suivants :

Sur le générateur de signaux d’horloge :

HORLOGE MAITRESSE VAR

DIVISEUR DE FREQUENCE n=3

Sur le compteur de fréquence:

FUNCTION: FREQ (10 Hz -10 MHz)

RESOLUTION 1 Hz / 1 ns

ATTENUATOR 0 dB

Sur le modem MDF:

INTERFACE NUMÉRIQUE: TTL

MODE CCITT V.23 MODE 2

BOUCLE O

LIGNE 4


Sur le générateur de séquences pseudo-aléatoires (GSPA):

BITS PAR SÉQUENCE n = 2

NOMBRE DE PÉRIODES ENTIÈRES 00 (et appuyer sur CHARGEMENT)

FRACTION DE PÉRIODE GROSSIER complètement vers la gauche (sens anti-horaire)

FRACTION DE PÉRIODE FIN complètement vers la gauche (sens anti-horaire)

Sur l’interrupteur/sélecteur de signal:

SÉLECTEUR 1: SIGNAL 1 (TP1- le signal temporel)

Sur l’oscilloscope:

Canal 1 5 V/DIV

Canal 2 1 V/DIV

Balayage 2 ms / DIV

Déclenchement(Trigger) Source : EXT

Note : Utiliser le bouton rotatif ‘Trigger’ pour stabiliser l’onde.

Figure 3-10. Signal de données et signal modulé en MDF.

5. Sur le générateur d’horloge, ajustez la commande de FRÉQUENCE PRINCIPALE jusqu'à ce que le compteur de fréquence indique 0,3 kilohertz. C'est le débit binaire des données Rb produites par le générateur binaire pseudo-aléatoire. (c.-à-d. Rb = 300 bits/s)

Note: Le modem CCITT V.23 est habituellement utilisé à un débit binaire de 1 200 bits/s. Dans cette étape, un débit binaire de 300 bits/s est utilisé pour faciliter l'observation du signal MDF sur l'oscilloscope.

Changez lentement la commande de FRÉQUENCE sur le générateur d’horloge pour stabiliser le signal MDF sur l'oscilloscope. L'affichage sur l'oscilloscope devrait ressembler à la Figure 3-10. On peut clairement voir que le signal MDF comporte deux fréquences


différentes. Notez que le signal MDF est en retard sur le signal de données.

Note: Pour tous les affichages d'oscilloscope dans cette manipulation, les positions des signaux actifs et repos illustrés ici peuvent ne pas correspondre à l'affichage que vous obtenez sur l'oscilloscope. De plus, les amplitudes des signaux de données peuvent ne pas être exactement comme montrées.

Expliquez le rapport entre le signal de données et le signal MDF. Est-ce que la forme d'onde MDF est lisse ou contient-elle des discontinuités? Expliquez pourquoi.

6. Débranchez les deux câbles du connecteur BNC-T à la SORTIE 4 du générateur d’horloge. Reliez l'ENTRÉE d'HORLOGE du générateur binaire pseudo-aléatoire à la SORTIE A du générateur d’horloge. Reliez ensuite l'ENTRÉE du compteur de fréquence à la SORTIE SYNCHRO du modem MDF. Sur le générateur d’horloge, réglez l'HORLOGE PRINCIPALEà MANUEL. Le compteur de fréquence indiquera maintenant la fréquence de porteuse du signal MDF. Tout en observant l'oscilloscope, poussez le bouton MANUEL plusieurs fois. Vous noterez que quand le signal sur le canal 1 de l'oscilloscope (le signal de données) change d'état, le signal sur le canal 2 (le signal de porteuse) change de fréquence. Placez le signal de données au niveau actif (valeur binaire 1). Notez la fréquence fm correspondant au niveau actif. Placez ensuite le signal de données au niveau repos (0 binaire), et notez la fréquence fs de niveau repos. Déterminez la déviation de fréquence f et la fréquence centrale fctr pour ce modem.

7. Débranchez le câble à la SORTIE A du générateur d’horloge et branchez-le au connecteur BNC-T à la SORTIE 4. Sur le générateur d’horloge, réglez l'HORLOGE MAITRESSE à VAR. L'affichage sur l'oscilloscope devrait de nouveau ressembler à la Figure 3-10. Avant de continuer, ajustez lentement la commande de FRÉQUENCE pour stabiliser le signal MDF sur l'oscilloscope.

8. Sélectionner n = 3 sur le générateur binaire Pseudo-aléatoire.

9. Débranchez les trois câbles allant à l'oscilloscope et effectuer les réglages suivants pour configurer l’oscilloscope en mode spectrale:

ENTRÉE : Canal 1

IMPÉDANCE : 1MΩ

FONCTION : Math Opérateur FFT

SOURCE 1 : 1

PLAGE DE FRÉQUENCE : 5KHz

FRÉQUENCE CENTRALE : 1,70KHz

FENÊTRE : Hanning

UNITÉ VERTICALE : Decibels

HORIZONTALE : 5mSec avec enclenchement(Trigger) sur CANAL 1

10. Reliez la SORTIE B l'INTERFACE de LIGNE du modem MDF à l'ENTRÉE de l'oscilloscope.

Selon les observations sur l'affichage en mode spectral, qu’elles sont approximativement les fréquences de deux composants de fréquence principales du signal MDF? (les autres


composantes sont des harmoniques de la fréquence porteuse et peuvent être ignorées.) Comment ces fréquences se comparent-elles avec les fréquences la fréquence fs de niveau repos et la fréquence fm de niveau actif mesurées à l'étape 6?

11. Sur le générateur d’horloge, débranchez le câble à la SORTIE 4 et reliez-le à la SORTIE A. Puis réglez l'HORLOGE MAITRESSE à MANUEL. Appuyez sur le bouton MANUEL plusieurs fois pour observer les fréquences des niveaux actif et de repos sur l'analyseur spectral. Ces fréquences sont-elles les mêmes qu'observées dans l'étape 10?

12. Sur le générateur d’horloge débrancher le câble allant sur la SORTIE A et reliez-le à la SORTIE 2 avec un connecteur pour brancher le compteur de fréquence. Le compteur de fréquence indiquera le débit binaire du signal de données. Sur le générateur d’horloge, sélectionner VAR comme l’HORLOGE MAITRESSE, ajuster la FRÉQUENCE jusqu'à ce que le débit binaire soit de 300 bits/s (0,3 kilohertz sur le compteur de fréquence).

13. Ajuster lentement la FRÉQUENCE entre 300, 400,600, 1200 et 1600Hz du générateur d’horloge pour augmenter le débit binaire, et observez l'effet sur le spectre.

En utilisant la déviation de fréquence f mesuré à l'étape 6, calculer les rapports f / Rb pour chaque débit binaire.

L'augmentation du débit binaire Rb diminue le rapport f / Rb. Décrivez l'effet d’une diminution du rapport f / Rb sur le spectre du signal MDF.

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