Historique de la radio
La modulation du signal radiophonique
Radio
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Pour transmettre un programme de radio, il faut le mettre sur une fréquence porteuse: c'est la modulation. Plusieurs systèmes de modulation sont possibles.


Vm: amplitude du signal audio

Vp: amplitude de la porteuse

Taux de modulation (%):
Vm × 100 / Vp

Modulation

Nous avons un programme à émettre et nous avons une fréquence porteuse. Il faut maintenant combiner ces deux éléments, c'est la modulation. La modulation la plus employée (surtout au début de la radio), c'était la modulation d'amplitude (AM en anglais).


Le signal est surmodulé.
Seul un détecteur synchrone peut démoduler correctement ce type de signal



Un détecteur à diode détecte les crêtes du signal.
C'est un système simple qui est utilsé dans les récepteurs à lampes et à transistors, mais la qualité est moyenne.



Un récepteur à cristal (l'ancètre de la diode) n'a pas de source de courant.
Ce récepteur se compose d'une antenne A1, d'un circuit accordé L1 + C1, d'une diode D1, d'un condensateur de filtrage C2 et d'un casque d'écoute. Le transfo adapte l'impédance élevée du détecteur à la basse impédance du casque.



La bande passante d'une émission en modulation d'amplitude est deux fois la bande passante audio.

Quand aucun programme n'est transmis (pas de modulation), l'émetteur travaille à 50% de sa puissance. Quand il y a une modulation, la puissance de l'émetteur augmente quand le signal modulant est positif et diminue quand il est négatif, mais en moyenne l'émetteur travaille à 50% de sa puissance.

Le taux de modulation indique l'influence du signal modulant sur la porteuse. Si la puissance de la porteuse van de 0 à 100%, on dira que le taux de modulation est de 100%. En pratique on gardera une petite réserve pour réduire les déformations, aussi bien du coté de l'émetteur que du coté du récepteur.

La détection peut être très simple, il s'agit de la détection de l'enveloppe (ou détection de crête). Une diode suivie d'un petit condensateur de filtrage suffisent. Et en effet, les premières radios (utilisant un cristal de galène, un des rares cristaux naturels à effet redresseur) n'avaient guere plus qu'

  • une grande antenne pour capter le signal haute fréquence
  • un circuit accordé pour choisir une porteuse
  • une diode pour détecter le signal
  • et un casque d'écoute sensible pour écouter le programme
Ce type de récepteur ne fonctionnerait plus actuellement à cause des nombreux parasites ménagers (ordinateurs, réseaux locaux, etc), mais également à cause du fait qu'il y a de moins en moins d'émetteurs puissants.

Un défaut de la détection par diode est la mauvaise linéarité (courbe de détection avec coude prononcé). Il y a des déformations si le signal est fort et quand le signal est faible il est brouillé par les parasites. Les parasites sont fortement présents car ils forment un pic du signal qui est également détecté.

Un détecteur plus perfectionné est le détecteur synchrone qui multiplie le signal d'antenne par un signal de même fréquence et d'amplitude constante généré localement. Les parasites ne s'entendent plus si fort et la linéarité est meilleure. On détecte aussi bien le signal positif que négatif: même si le circuit n'aurait aucun autre avantage, cela permettrait à lui tout seul de réduire le bruit de fond de moitié.

Le détecteur synchrone permet de détecter correctement les signaux surmodulés (ce qui n'est pas interdit) et c'est le seul système qui puisse détecter la modulation à bande latérable (BLU: Bande Latérale Unique) ou SSB (Single Side Band). C'est le circuit standard dans les récepteurs mondiaux, car il permet de tout démoduler.

Bande passante

Quand la porteuse est modulée, elle utilise une bande de fréquences (la bande passante). L'explication technique nous mènerait trop loin. Quand la porteuse à 1000kHz est modulée par un signal de 3000Hz, il y a différentes fréquences qui sont produites, notament la fréquence de base - la modulation et la fréquence de base + la modulation. Nous avons donc 1000kHz (la porteuse) et 1003 et 997kHz. Ces fréquences auxiliaires qui contiennent l'information doivent aussi être transmises.

Un programme de radio ne se compose pas d'une seule fréquence à 3kHz, mais d'une série de fréquences qui vont de 20 à 18.000Hz. Quand on a commencé les émissions de radio et qu'on a attribué les fréquences, les microphones et les hauts parleurs n'étaient pas très bons et une bande passante de 30 à 4500Hz était acceptable. Le canal utilisé par l'émetteur est donc large de 9kHz (deux fois la fréquence la plus élevée à transmettre). Les canaux ont une largeur de 10kHz aux Etats Unis. La courbe diminue aux fréquences plus élevée car la composante est plus faible.

Il y a des émetteurs qui émettent dans une bande plus large que celle qui leur est attribuée (surtout dans des régions en dehors de l'Europe). Cela ne porte actuellement pas à conséquence car il y a moins d'émetteurs dans les bandes concernées.

Lors de l'établissement des normes de la télévision, on a également opté pour une bande passante de 5.5MHz, qui était jugée suffisante à cette époque. L'image était composée de 625 lignes (dont 525 étaient visibles à l'écran) et de 640 points horizontaux (bien qu'on ne parlait pas de points ou pixels, puisque le signal était purement analogique).

Il existe des méthodes pour réduire la largeur du canal attribué à un émetteur, par exemple en éliminant une des beux bandes (cela ne sert à rien de les transmettre toutes les deux puisqu'elles contiennent la même information). On transmet donc la porteuse et une bande latérale. Quand la qualité sonore n'a vraiment pas d'importance, on élimine même la porteuse.

L'avantage d'une modulation BLU (bande latérale unique) est qu'il y a 4× plus de puissance utilisée effectivement. En effet, un programme en modulation d'amplitude se compose d'une porteuse qui bouffe 50% de la puissance, et de deux bandes qui utilisent chacune 25% de la puissance de l'émetteur. Or on a assez avec une seule bande pour transmettre l'information.

Ces émetteurs transmettent surtout des programmes parlés où la qualité sonore n'a pas grande importance. Les walkie-talkie qui travaillent en modulation d'amplitude utilisent la modulation BLU qui a une meilleure portée.

La télévision travaille également en BLU, mais avec porteuse réduite puiqu'il faut récupérer la composante continue (l'intensité). La pente est douce et la porteuse est présente à 50%, ce qui permet de restituer le signal complet, même avec une simple détection à diode.

La télévision utilise... pardon, utilisait une modulation négative, car il n'y a plus d'émissions analogiques (PAL/SECAM). Avec la modulation négative les parasites ne se voient pratiquement pas (puisqu'ils apparaissent en foncé). Les français qui voulaient tout faire différent pour protéger leur marché utilisaient une modulation positive, techniquement inférieure (de plus, cela rend le controle automatique du gain (CAG) plus complexe).

CAG - Controle Automatique du Gain

Vennons-y justement au controle automatique du gain. Un émetteur qui est reçu plus faiblement produit un signal sonore plus faible après détection. Tous les émetteurs auraient ainsi un volume sonore différent si des mesures correctrices ne sont pas prises. En modifiant l'amplification des étages haute fréquence, on fait en sorte que tous les émetteurs sont reçus au même volume.

Le controle automatique du gain est surtout important lors de la réception des ondes courtes, car ces ondes se propagent via réflection sur l'ionosphère. Quand l'antenne reçoit le signal, il y a interférence entre les signaux d'antenne qui ont suivi un chemin différent et sont soit en phase, soit déphasés. L'amplitude varie constamment. Le CAG permet de réduire ce phénomène (le CAG était appellé "anti-fading" au début de la radio).

Ce n'est pas parce que le gain est automatiquement adapté à chaque émetteur, qu'ils vont tous avoir le même volume sonore. Certains émetteurs utilisent un taux de modulation plus fort que d'autres.

Modulation de fréquence (FM)

La modulation d'amplitude est sensible aux parasites qui déforment l'amplitude. En modulation de fréquence, l'information sonore est codée sous forme de modification de la fréquence porteuse. La déviation de fréquence est de 75kHz (donc 150kHz si on compte que le signal à moduler peut tout aussi bien être positif que négatif). Pour éviter les interférences, chaque émetteur se voit attribuer un canal de 300kHz.

Le détecteur n'est sensible qu'à la fréquence et permet donc d'éliminer facilement les parasites.

Le canal attribué à chaque émetteur est nettement plus large, un seul canal est en fait aussi large que toutes les grandes ondes! Il faut donc monter en fréquence pour permettre de placer plusieurs émetteurs dans la bande radio. On utilise de ce fait des fréquences allant de 88 à 108MHz. Une centaine d'émetteurs peuvent prendre place dans cette bande.

Comme la portée d'un émetteur est plus limitée, on peut placer plusieurs émetteurs sur la même fréquence, à condition qu'ils soient placés à plus de 200km l'un de l'autre. La détection FM fait en sorte que seul l'émetteur le plus puissant soit détecté. La réception par les ondes réfléchies par l'ionosphère n'est pas possible, le signal est trop faible pour être détecté.

Superhétérodyne

Pour augmenter la sélectivité du récepteur, il faut utiliser plus d'un circuit accordé. Quand on change de poste, tous les circuits accordés doivent être commandés simultanément, ce qui pose problème s'il y a plus de deux circuits accordés. Et le récepteur direct a d'autres inconvénients:
  • Les tubes (et les transistors) amplifient moins aux fréquences élevées. Il faut donc plus de tubes ou de transistors pour les fréquences élevées. Les transistors nécessitent de plus une correction (neutrodyne) adaptée à la fréquence. C'est pour cela que les seuls récepteurs directs à transistors sont des récepteurs reflex.

  • Le signal amplifié du dernier tube peut être capté par le premier tube ou par l'antenne, ce qui produit l'effet Larsen. La radio se comporte comme un petit émetteur et brouille tous les émetteurs du coin.
On élimine tous ces problèmes en une fois en passant à une fréquence moyenne fixe. Tous les circuits MF sont accordés une fois pour toute sur cette fréquence. On obtient la fréquence moyenne par mélange de la fréquence de l'émetteur avec une fréquence locale (variable). Le produit est la moyenne fréquence fixe que nous recherchons, et les étages suivants n'amplifient que cette fréquence. On change d'émetteur en changeant la fréquence de l'oscillateur, donc une simplification de l'accord.

Au début, le superhétérodyne semblait très compliqué, mais actuellement tous les récepteurs sont "super". La MF est de 455kHz pour la modulation d'amplitude (qui a une bande passante de 9kHz) et de 10.7Mhz pour la modulation en fréquence qui a une bande passante de 300kHz. Aucun émetteur n'utilise les fréquences attribuées aux moyennes fréquences.

Nous continuons avec quelques exemples de postes de radio (à lampes et à transistors).

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