Modulation d'amplitude
Analyse des tracés d'oscilloscope
AM
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Après avoir parlé d'émetteurs AM, il est temps de se concentrer sur les tracés d'oscilloscope, qui rendent compte des caractéristique de l'émetteur.
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Nous avons parlé d'émetteurs AM mais sans indiquer comment on en mesure les caractéristiques.

Vous avez à droite deux tracés d'oscilloscope. Dans les deux cas, nous avons appliqué un signal audio d'1kHz d'amplitude nominale (le niveau de modulation maximal moyen).

Le premier tracé d'oscilloscope est le tracé le plus classique. On utilise les deux entrées Y1 et Y2 de l'oscilloscope, Y1 reçoit le signal audio, mais la trace est éliminée et Y2 reçoit le signal d'antenne (suffisamment atténué pour ne pas griller l'oscilloscope).

La synchronisation s'effectue sur le signal audio de 1kHz (c'est pour cela que le signal doit être envoyé à l'oscilloscope). La base de temps est réglée sur 500µs.

Le signal nous montre le niveau de modulation: la modulation n'est pas maximale: l'émetteur a de la réserve.

La courbe qui est représentée ici est souvent appellée enveloppe.

Le tracé trapezoïdal donne plus d'informations. L'oscilloscope fonctionne ici en mode XY.

On met le signal audio sur l'entrée X (balayage horizontal) et le signal d'antenne sur l'entrée Y. Ce qu'on voit maintenant, c'est le signal d'antenne par rapport au signal audio: si celui-ci est minimum, la modulation est faible, s'il est maximum, la modulation est forte.

Quand on parle de signal audio, on ne parle ici pas de son volume, mais de son niveau instantané. Si le volume est faible, le niveau instantané ne varie pas beaucoup, si le volume est fort, le niveau instantané monte et descend plus fort. La modulation du signal radio devient plus forte. Pour éviter cette erreur à la transmission, nous utilisons le terme

  • volume pour désigner l'amplitude sonore générale: un son fort, un son faible
  • tension instantanée pour indiquer un niveau instantané comme montré par un oscilloscope.

Mais ce qui est interessant, c'est surtout d'utiliser l'oscilloscope pour détecter les défauts de l'émetteur. Nous montrons d'abord l'image classique de l'oscilloscope.

Les premiers tracés nous montrent la forme de l'enveloppe au fur et à mesure que la modulation est augmentée: tout d'abord il n'y a aucune modulation (silence radio) puis on augmente la modulation: 30%, 70% et 100%.

Le tracé suivant nous montre une surmodulation: l'émetteur est stoppé pendant une partie du cycle audio. La modulation maximale est limitée par les capacités de l'émetteur et est normalement de 200%.

Plus tard, on va voir qu'avec des modulations numériques il est possible de "surmoduler", pour autant qu'à la démodulation on utilise un démodulateur synchrone et non pas une détection par la diode, qui ne va que détecter l'enveloppe.

Un exemple de déformation qui peut avoir deux causes: oscillations parasites dans le modulateur ou circuits mal accordés.

Le dernier exemple est un cas particulier: il peut être causé par un atténuateur d'oscilloscope défectueux (qui produit une déformation non-linéaire). Cette image peut également apparaitre si on prélève le signal sur un circuit non-accordé, où les caractéristiques non-linéaires du tube d'amplification apparaissent. C'est pour cela qu'un émetteur doit toujours avoir un circuit accordé en sortie (et même deux de préférence): un circuit accordé sur l'anode et un circuit accordé que forme l'antenne.


Passons maintenant aux tracés trapézoïdaux qui nous montrent beaucoup plus... Pour déterminer les défauts possibles, l'émetteur est modulé à 100% (sauf indiqué autrement dans le texte). Tous les exemples sont donnés avec une modulation par tension de plaque, la seule qui puisse donner un trapèze parfait.

Le premier tracé est en l'absence de modulation: nous avons uniquement la porteuse.

Puis nous avons un tracé qui peut être causé par un modulateur qui ne fonctionne pas à 100% (si nous partons du cas que nous utilisons un signal audio maximal). Il faut augmenter l'amplification dans un des étages audio.

Le tracé suivant est le tracé idéal en cas de modulation à 100%: il est parfaitement linéaire du début à la fin. C'est ce type de tracé qu'on retrouve dans les émetteurs "broadcast" professionnels.

Le 4e tracé monte une surmodulation: il suffit de réduire l'amplification d'un des étages audio.

Le 5e tracé nous montre un défaut de polarisation dans le modulateur: la tension audio dans le modulateur est trop élevée: quand la tension instantanée est minimum, il y a toujours une modulation présente, tandis que quand la tension instantanée est maximale, l'amplificateur radio ne suit plus. Ce défaut n'est pas possible si on utilise un transfo pour moduler la tension de plaque, puisqu'un transfo ne laisse pas passer de composante continue.

Le cas suivant est causé par un effet de régénération: l'étage de puissance à tendance à osciller de lui-même et cette tendance augmente avec l'amplitude du signal. Il faut réduire la tension de l'électrode g2 pour diminuer l'amplification. Cet effet peut également être causé par des mesures de filtrage insuffisantes, par exemple le signal d'une bobine accordée en sortie qui influence sur une bobine accordée en entrée. Il faut isoler mécaniquement et électriquement tous les circuits accordés.

Le cas 7 est causé par un déphasage, par exemple si le signal audio est prélevé sur un étage préamplificateur. Pour avoir un tracé trapézoïdal correct, il faut que le signal audio soit prélevé sur l'entrée du modulateur. Il ne s'agit pas ici d'un défaut dans l'émetteur.

Le tracé 8 est causé par un tube à bout de souffle (émission trop faible) ou par une polarisation trop faible, qui fait que le tube ne peut pas donner sa puissance maximale. Tant que la courbe reste acceptable, c'est une déformation qui ne s'entend guère, mais la situation doit être suivie.

Le dernier tracé est produit quand on utilise la modulation par la grille g2 (grille écran) au lieu d'une modulation par la tension de plaque (le graphique est exagéré pour montrer l'effet). Il y a une compression automatique de la modulation: les signaux faibles sont modulés normalement, mais plus l'amplitude du volume sonore augmente, et moins il influence sur la modulation. C'est un avantage pour les petits émetteurs amateurs qui ont ainsi un meilleur rendement pour une puissance donnée.

Et nous terminons par un tracé trapézoïdal de l'émetteur AM décrit sur la page précédente. Pour bien montrer l'effet de la porteuse variable nous avons repris trois tracés et nous les avons entassés l'un sur l'autre: un tracé avec un bas volume (200mV RMS), volume moyen (400mV RMS) et très fort volume (600mV), l'émetteur étant calculé pour 500mV RMS.

Le signal audio est prélevé sur la grille de la triode avec une tête de mesure 10:1 couplée AC. Il n'y a pas de déphasage (lire plus haut) puisqu'il n'y a pas de condensateurs jusqu'à l'antenne.

  1. A 200mV RMS, l'émetteur fonctionne très linéairement. L'émetteur travaille à une puissance de 250mW. 200mV est le signal musical moyen présent la plupart du temps. C'est à ce régime que l'amplificateur fonctionne le mieux.

  2. A 400mV RMS, l'émetteur fonctionne à puissance plus élevée (350mW environ). On voit apparaitre quelques déformations. A la tension instantanée maximale, la puissance d'émission ne croït plus linéairement, mais il y a un léger tassement. Cela ne se remarque pas à l'écoute. Ce qui est aussi visible, c'est que la pente est un peu moins prononcée: la modulation est un peu moins forte, c'est comme si l'amplification basse fréquence était moins forte quand le signal devient plus fort (compression). Cette compression est uniquement réalisée grâce la commande par grille écran.

  3. A 600mV, nous avons dépassé le 0dB au VU-mètre. Nous sommes en fait "dans le rouge", mais l'émetteur se comporte encore très bien. Nous sommes à 450mW, très près des limites du tube. Le tassement de la puissance maximale devient plus visible. Il y a également un tassement du coté du niveau instantané minimum. La forme ressemble un peu à la dernière forme de tracé expliqué plus haut.
Il est à signaler que la tiode (amplification audio) produit également une compression du signal par déplacement du point de fonctionnement du tube selon la modulation.


La compression par la commande de la grille écran ne produit pas de "pompage" comme il en apparait parfois quand on utilise un compresseur mal réglé. Elle produit principalement des harmoniques paires qui ne sont pas trop desagréables à l'écoute. Le pompage, s'il y en a, est causé par le circuit AGC des postes de radio, puisque la puissance moyenne dépend du volume.

Un émetteur travaillant à puissance moyenne constante (commande par la tension d'anode du tube émetteur) produirait le graphique à gauche (modulation faible, moyenne et forte).



Mais est-il possible de travailler avec un indice de modulation >100%? Oui, c'est le cas dans certaines applications numériques. On applique alors un taux de modulation de 200%. Le modulateur doit être adapté: il faut un vrai multiplicateur, par exemple un modulateur en anneau qui reçoit le signal à moduler et la porteuse. Ce même circuit sera utilisé pour la démodulation.

La porteuse est alternativement négative et positive sur le pôle droit (indiqué avec un - et un + dans les deux schémas).

Quand la porteuse est négative, le courant met les diodes D0 en conduction. Par la conduction des diodes, le pôle + du signal est connecté avec le pôle supérieur de la sortie, la sortie est en phase.

Quand la porteuse est négative, le courant met les diodes D1 en conduction. Le pôle + du signal est maintenant connecté avec le pôle inférieur de la sortie: la sortie est déphasée de 180°.

Le signal à l'entrée se retrouve modulé à la sortie: il est soit en phase, soit décalé de 180% à la fréquence de la porteuse.

Remarquez que ce raisonnement fonctionne également à l'envers (commutativité de la multiplication): quand le signal sonore est positif, la porteuse est en phase, quand il est négatif, la porteuse est déphasé de 180°.

Au marché, vous faites des mathématiques comme monsieur Jourdain fait de la prose: quand on vous remet de l'argent, cela ne joue aucun role dans quel ordre on vous remet la monnaie: l'addition des pièces de monnaie est commutative.

Et que ce passe-t-il s'il n'y a pas de signal sonore à moduler? Regardez bien le schéma: il n'y a rien à la sortie non plus, car il s'agit d'un vrai multiplicateur (0 × ϰ = 0).

Ce type de schéma est utilisé pour générer des signaux à porteuse supprimée (suppressed carrier). Il permet d'utiliser toute l'énergie de l'émetteur pour transmettre le signal. Ce type de modulation est utilisé pour les liaisons radio (principalement numériques, car il n'y a pas de silence en numérique), il n'est pas utilisé pour la radiodiffusion, par contre la modulation BLU (bande latérale unique) utilisée en ondes courtes ne transmet qu'une bande latérale et élimine la porteuse et une des deux bandes de modulation.

Le schéma fonctionne également à l'envers, avec la porteuse appliquée à l'entrée à gauche et le signal sonore sur l'entrée en dessous. Cette configuration qui n'utilise pas de transfo pour la partie audio permet d'instaurer un niveau zéro qui n'est pas nul. Le niveau zéro peut par exemple être à 50%: quand la tension instantanée est la plus basse, le niveau est alors à 0% (modulation de 0%), quand elle est la plus haute, le niveau est de 100% (modulation de 100%). Nous avons ici un modulateur radio ultra-linéaire.

Si on choisit un niveau zéro de 30% de l'amplitude sonore maximale, la modulation varie alors entre 70% (tension instantanée la plus positive) et -30% (valeur absolue de 30% mais déphasage de 180°). Cela est représenté par le trapèze bizarre: il ne montre que l'amplitude, il ne peut pas montrer la phase).

Pour détecter un tel signal, il ne faut pas une détection de l'enveloppe (détecteur à diode utilisé dans la plupart des postes de radio) qui détecte l'amplitude et ignore la phase, mais un démodulateur synchrone où la détection est effectuée par... un second modulateur en anneau qui reçoit sur l'entrée "porteuse" le signal d'un oscillateur local synchronisé sur l'oscillateur de la porteuse. Un exemple d'utilisation d'un démodulateur synchrone est la sous-porteuse couleur dans la norme PAL et NTSC, où l'information couleur (teint) est transmise par la phase.

La première image d'oscilloscope montre la détection effectuée par une diode de détection simple alternance, la seconde image montre la démodulation effectuée par un démodulateur synchrone qui prend un échantillon à chaque 'top' de la porteuse régénérée et reconstitue ainsi le signal d'origine.

Mais assez de théorie. J'ai également réalisé un émetteur AM de forte puissance à porteuse controlée.

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