Modulation d'amplitude
Réalisation d'un émetteur
AM
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Nous allons construire un petit émetteur AM dont nous pouvons recevoir le signal sur la bande des "petites ondes" ou MW (medium waves)
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Porteuse, signal audio et porteuse modulée


Caractéristique d'une diode
avec en abscisse la tension U
et en ordonnée le courant I
La sortie est le courant dans la diode


Modulation par la diode
Comme quoi l'électronique est on ne peut plus simple

Le but de la modulation est d'emballer un signal que nous voulons transporter. La modulation permet de transmettre le signal à distance sans trop de pertes et de déformations. On retrouve la modulation un peu partout: les postes de radio, de télévision, les GSM,... En utilisant une fréquence différente pour chaque signal à transporter, il est possible de choisir le signal voulu dans le récepteur.

On pourrait comparer la porteuse à un train, et les passagers aux messages qu'il faut transporter. Les passagers prennent place dans le train (modulation) et quittent le train à destination (démodulation).

Une des méthodes les plus utilisées pour la modulation, est la modulation en amplitude. Les premières émissions de radio (programmes pour le public) ont eu lieu en modulation d'amplitude car le système est très simple, aussi bien en modulation qu'en démodulation. La modulation d'amplitude est toujours disponible dans les avions et les navires pour les cas de détresse.

Actuellement, il n'y a plus tellement d'émetteurs sur les ondes longues et moyennes où on utilise la modulation d'amplitude (chic! nous allons pouvoir créer notre propre émetteur!). La modulation d'amplitude est par contre encore souvent utilisée sous une forme plus complexe (QAM ou Quadrature Amplitude Modulation) où on joue aussi bien sur l'amplitude que sur la phase du signal. Cette méthode permet de transmettre plus d'informations dans un temps donné.

Nous avons donc deux signaux que nous voulons mélanger: un signal audio qui va de 20 à 5000Hz et une porteuse, par exemple 630kHz. Nous ne pouvons pas les superposer (addition), cela n'a aucun effet, nous devons multiplier les deux signaux. Il faut que l'amplitude du signal audio modifie l'amplitude de la porteuse. Mais comment faire? Pour effectuer une multiplication, il faut un composant qui ait une caractéristique non-linéaire. Si vous ne me croyez pas, la démonstration suit.

Modulation par la diode

Une diode a une caractéristique non-linéaire. Quand on applique une tension faible (par exemple 0.4V) la diode est faiblement conductrice. Elle se comporte en fait comme une résistance de valeur élevée. Avec une tension plus élevée (par exemple 0.7V), la diode est fortement conductrice, la résistance de la diode a chuté.

Nous allons utiliser cet effet pour moduler la porteuse. Nous plaçons d'abord le signal audio sur la diode (c'est la connection mauve). Nous adaptons la polarisation pour avoir un signal audio qui va de 0.4 à 0.7V. Dans le tableau suivant, nous indiquons les tensions et les courants correspondants, ainsi que la valeur calculée de la résistance.

TensionCourantRésistance
0.4V (signal audio négatif)0.1mA4kΩ
0.7V (signal audio positif)0.5mA1.4kΩ

Nous allons maintenant ajouter une porteuse de 630kHz (connection verte). L'amplitude de la porteuse est dans notre exemple de 0.1V. Quand le signal audio est de 0.4V, il s'y ajoute donc un signal de 0.1V (résultat: 0.5V), quand il est de 0.7V, la résultante est de 0.8V. Jusqu'à présent, les deux signaux sont simplement superposée (c'est pas ce que nous voulons).

Avec une porteuse de 0.1V, le courant varie de 0.1 à 0.2mA quand le signal audio est de 0.4V et de 0.5 à 1.0mA quand le signal audio est à 0.7V.

Tension
minimum
Tension
maximum
Courant
minimum
Courant
maximum
Résistance
dynamique
0.4V0.5V0.1mA0.2mA1kΩ
0.7V0.8V0.5mA1.0mA200Ω
Modulation de la porteuse: 0.1V

La différence entre la tension minimum et maximum est produite par la porteuse que nous ajoutons au signal. La différence en courant n'est pas exploitable dans ce type de circuit, mais le courant peut être amplifié si on utilise un transistor à la place de la diode. On peut également utiliser la modification de la résistance dynamique. Elle détermine combien la porteuse sera atténuée.

Supposons que la résistance verte ait une valeur de 1kΩ. Quand le niveau du signal audio est le plus bas, la porteuse est réduite à 50% (1kΩ / 1kΩ). Quand le niveau du signal audio est le plus élevé, la porteuse est réduite à 20% (1kΩ / 200Ω).

Avec ce circuit, la porteuse est donc plus ou moins réduite selon le niveau du signal modulant. La diode se comporte comme une résistance variable dont la valeur change selon l'information sonore.

La modulation par diode n'est que rarement utilisée car elle produit une forte déformation du signal (intermodulation) et une perte de puissance. Mais en fin de page vous allez retrouver deux applications de la diode dans la modulation (si vous tenez le coup jusque là).

Les tubes de radio ont très longtemp été utilisé dans les émetteurs à cause de leur bonne linéarité, de leur fonctionnement à très forte puissance et de leur résistance aux surcharges. Nous commençons par le circuit standard d'un émetteur AM à tubes, suivi de nombreux autres exemples. Nous analysons également les tracés d'oscilloscope.

Un émetteur AM à transistor est décrit ici.

Aplication d'une diode à la modulation

Et pour terminer, deux applications de la diode comme modulateur.

Pendant la seconde guerre mondiale, les alliés utilisaient le magnétron pour leurs radars (voir application du radar lors de la seconde guerre mondiale). L'avantage du magnétron est que les émetteurs travaillent à une fréquence plus élevée et peuvent utiliser une antenne plus petite (ce qui est très interessant dans les avions qui doivent rester maniables). L'utilisation d'une fréquence plus élevée augmente également la résolution du radar: il est ainsi possible de détecter un sous-marin en immersion périscopique.

Les allemands n'avaient pas de magnétron (à l'époque) et n'avaient pas non plus de tubes qui pouvaient monter à plus d'1GHz. Il ne pouvaient donc pas détecter qu'ils étaient frappés par le rayon radar. Mais un avion équippé d'un magnétron s'est abattu près de Rotterdam. Le magnétron construit d'une seule pièce en métal a pu être récupéré. Il a été utilisé pour réaliser des mesures de détection. Le magnétron était par la suite appellé Rotterdam Gerät par les allemands.

Les recherches sur le magnétron ont été mises à l'arrêt sur ordre de Hitler, le sergeant à la moustache, mais les allemands avaient besoin d'urgence d'un système de détection. Une diode à point de contact était utilisée comme modulateur: la diode reçoit à la fois le signal d'antenne (radar) et un faible signal haute fréquence produit par un oscillateur local.

La caractéristique non-linéaire de la diode produit l'apparition de différentes fréquences, dont un battement (fant - fosc), dont la fréquence est plus basse et qui peut donc être amplifiée par les tubes de l'époque.

Quand le mouchard signalait que le sous-marin était frappé par le radar, il avait le temps d'aller en plongée, car le signal en retour (vers l'avion équipé du radar) était une petite fraction du signal touchant le sous-marin. Le mouchard n'était par contre pas très fiable car il a été fabriqué d'urgence et n'était pas en mesure de résister aux conditions climatiques en mer.

A droite: une diode à pointe de contact comme celle utilisée dans un détecteur de radar. Cette même technologie se retrouve dans les détecteurs de radar de la circulation routière. Comme quoi les allemands ont tout inventé avant et pendant la guerre.


Principe de l'interporteuse

La seconde application, c'est le principe de l'interporteuse (intercarrier). Dans la télévision analogique (normes M, B, G et I) le son est transmis sur une fréquence légèrement différente de la porteuse image (de 5.5MHz exactement). Quand dans le récepteur le signal haute fréquence de l'émetteur est transformé en moyenne fréquence (principe du superhétérodyne) la distance entre les deux fréquences reste la même.

Lors de la détection vidéo, nous transformons notre signal moyenne fréquence en signal vidéo "baseband" (non modulé), mais il apparait également des fréquences issues du mélange. Une des fréquences, c'est le signal sonore modulé en FM (le principe de l'interporteuse ne serait pas applicable si le son aurait été modulé en amplitude).

Ce signal "parasite" peut être prélevé directement après la diode de détection vidéo comme dans l'exemple de principe ci-dessus, mais dans la plupart des cas on prélève le signal FM après un ou plusieurs étages vidéo, ce qui nous permet de gagner un étage d'amplification FM. Au moins deux circuits accordés et un discriminateur FM sont malgré tout nécessaires pour éliminer les fréquences parasites.

L'avantage principal de l'interporteuse n'est non pas le fait de gagner un ou deux transistors, mais la stabilité du son. En effet, la bande passante attribuée son est très limitée. Si l'accord n'est pas parfait, le son disparait, alors que l'image est encore bonne. Le récepteur peut se dérégler simplement par l'échauffement naturel des composants et le réglage AFC n'est pas assez pointu pour corriger la dérive. Avec le principe de l'interporteuse, s'il y a de l'image, il y a du son, et la fréquence de la sous-porteuse est toujours de 5.5MHz.

Il y a malgré tout un inconvénient au système de l'interporteuse: S'il n'y a pas d'image, il n'y a pas de son non plus. Rappellez-vous que le signal vidéo est modulé amplitude en négatif (image claire: faible signal, image foncée: fort signal). Normalement il reste une marge et la modulation ne disparait pas totalement, même en cas d'image blanche. Par contre les sous-titres (surtout s'ils sont colorés en jaune) peuvent produire un signal vidéo pratiquement nul (a cause de la sous-porteuse couleur). A ce moment, il n'y a plus de composante vidéo et on entend un bruit de crécelle très typique.

Pour réduire ce problème, les émetteurs sont réglés en sorte que la porteuse vidéo ne peut jamais être nulle et le récepteur a un petit truc pour aider à la détection de signaux vidéo très faibles: la résistance 27 dans le premier schéma et la résistance 116 dans le second schéma mettent la diode de détection en légère conduction, ce qui aide à la détection de signaux vidéo très faibles.

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