Modulation
les différentes sortes de modulation
TechTalk

Nous avons déjà parlé de modulation sur différentes pages. Ici, nous reprenons toutes les modulations possibles.
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Index modulation
Modulation d'amplitude et autres types de modulation
Emetteurs, modulateurs, détecteurs et multiplicateurs

Modulation d'amplitude

La modulation d'amplitude est la modulation la plus ancienne. Elle est la plus simple à mettre en œuvre et a encore de nombreuses applications. Lors de l'émission, il suffit de modifier la puissance de l'émetteur et à la réception une simple détection par diode suffit.

La modulation d'amplitude est décrite en détail ici (c'est quoi la modulation d'amplitude, comment réaliser un modulateur et un émetteur AM).

Le morse est envoyé par modulation d'amplitude: on met en marche et on stoppe l'émetteur pour envoyer les codes. Pour permettre un décodage accoustique au vol par l'opérateur, le signal émis est modulé. Le récepteur qui peut être un récepteur de radio classique reproduit ainsi la modulation. La modulation n'est techniquement pas nécessaire, elle aide simplement l'opérateur.

Et puis nous avons les émetteurs de radiodiffusion AM qui étaient très présents après la seconde guerre mondiale, mais qui sont actuellement mis à l'arrêt les un après les autres. Le désintérêt de la modulation d'amplitude est causé par plusieurs facteurs:

  • La modulation d'amplitude n'élimine pas les parasites (bien qu'un système de détection plus perfectionné que la détection par la diode permette de fortement les réduire, voir plus loin).

  • C'est pour cela qu'on a choisi des bandes de fréquences qui n'étaient pas trop perturbées à l'époque. De par les caractéristiques de ces bandes, les émetteurs nécessitent des puissances élevées; avec un seul émetteur on pouvait couvrir tout un pays, ce qui était interessant à l'époque, mais l'est moins maintenant.

  • Les bandes de fréquences attribuées à la modulation d'amplitude sont des bandes qui sont actuellement fort brouillées par toutes les alimentations à commutation (dont la fréquence de fonctionnement est par exemple de 75kHz et dont les harmoniques tombent dans la bande radio). Les alimentations linéaires doivent être éliminées car elles ne répondent plus aux normes (facteur de puissance et facteur de crête).

Détection du signal

La détection du signal s'effectue simplement par une diode qui redresse le signal reçu. Les parasites (qui produisent un pic dans le signal) sont également détectés. La détection par la diode est expliquée sur cette page.

Schéma de principe
démodulateur synchrone

Le démodulateur synchrone réduit ces invonvénients. Il se compose d'un oscillateur local synchronisé sur la fréquence du signal modulé. Ce signal est généralement moyenne fréquence, le signal haute fréquence étant réduit à une fréquence plus basse pour être amplifié (c'est le principe du superhétérodyne).

Le signal modulé et le signal de l'oscillateur local sont multipliés (il existe pour cela des circuits spéciaux comme le AD633). Le modulateur produit un signal de fréquence double, mais d'une seule polarité. Un filtrage pour éliminer la pulsation conclut le schéma. Ce filtrage est également nécessaire en cas de détection par la diode.

Le démodulateur synchrone réduit fortement les parasites et peut également détecter des signaux dont l'index de modulation est supérieur à 100%. Il permet également de détecter la phase du signal (en utilisant deux démodulateurs commandés en quadrature).

Le démodulateur synchrone est comparable au modulateur synchrone utilisé à l'émission (le même circuit peut être utilisé pour la modulation et la démodulation).


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

Bande passante

Quand la porteuse est modulée, elle utilise une bande de fréquences (la bande passante). 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). Le spectre (amplitude selon la fréquence) diminue aux fréquences plus élevée car la composante est plus faible.

Le pas entre deux émetteurs est de 9kHz en Europe (cela se remarque particulièrement quand on utilise un tuner numérique). Le pas est de 10kHz aux Etats Unis: la bande passante audio était de 15kHz, soit trois fois plus qu'en Europe (ramenée à 10.2kHz en 1989). Les émetteurs américains empiètent sur les deux canaux voisins. Cela ne porte actuellement pas à conséquence car il y a moins d'émetteurs dans les bandes concernées (il ne reste que quelques émetteurs très puissants).

Bande latérale unique

Il existe des méthodes pour réduire la largeur du canal attribué à un émetteur, par exemple en éliminant une des deux 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'elle utilise mieux la puissance disponible. 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. Cette modulation s'appelle BLU ou bande latérale unique (SSB ou Single Side Band).

Les émetteurs travaillant en BLU transmettent uniquement 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 (ou une modulation FM à bande étroite). Pour recevoir un programme en BLU il faut un récepteur adapté qui restitue la porteuse. La qualité sonore est médiocre et ce type de modulation n'est pas utilisé pour la radiodiffusion. De plus, l'étage émetteur doit avoir un fonctionnement linéaire: on perd ainsi l'avantage de la réduction de puissance obtenue en filtrant la porteuse et une des bandes latérales. Les étages de puissance en AM normal peuvent fonctionner en classe C. Ces émetteurs ont un rendement qui approche 100%, tandis qu'un amplificateur linéaire nécessaire en BLU a un rendement de 75% au mieux.

Le rendement peut être amélioré sans trop nuire à la qualité sonore avec une porteuse controlée (carrier controlled modulator): il s'agissait d'un système utilisé par certains radio-amateurs et petites stations de radiodiffusion. Tous les émetteurs AM (même ceux de radiodiffusion) utilisent actuellement une forme de porteuse controlée pour un peu améliorer le rendement de l'émetteur et réduire les coûts. Contrairement à la modulation à bande latérale unique, le signal peut être reçu avec un récepteur normal.

Lors de l'établissement des normes de la télévision, on a également 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). 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).

La modulation d'amplitude avec ses défauts semble avoir disparu,... Mais elle resurgit là où on ne l'attendait pas: dans les modems, pour transmettre des signaux numériques. La modulation d'amplitude est généralement combinée à la modulation de phase et permet de réaliser un débit plus important avec une bande passante limitée. La modulation QAM (Quadrature Amplitude Modulation) et l'utilisation de "constellations" est décrite ici.

Pour ce type de modulation on utilise une fréquence fixe et deux signaux en quadrature. En modifiant indépendamment l'amplitude des deux signaux on obtient à la fois une modulation en amplitude et en phase.


Démodulation

Modulation en fréquence

La modulation en fréquence est utilisée en radio car elle a certains avantages: si le signal est suffisamment puissant, il noie les parasites. S'il y a plusieurs émetteurs qui travaillent à la même fréquence, le récepteur se bloque sur l'émetteur le plus puissant. Par contre, si le signal est faible, la réception est moins bonne qu'en AM.

La détection du signal s'effectue par un discriminateur qui n'est pas sensible aux variations d'amplitude (s'il est correctement dimensionné): la plupart des parasites sont ainsi éliminés.

La modulation en fréquence nécessite une bande passante importante, ce qui limite le nombre d'émetteurs dans la bande attribuée à la FM. La déviation en fréquence est normalement de 75kHz pour la radio (FM) mais les canaux ont une largeur de 300kHz

On travaille parfois en fréquence modulée à bande étroite, mais uniquement pour des applications spécifiques (radio-téléphones analogiques).

La modulation de fréquence a été utilisée dans des modems, mais c'était tout au début de l'informatique, quand les modems travaillaient en 300 baud. La modulation était alors PSK (frequency shift keying) où la porteuse était commutée entre deux fréquences. Ce système permettait de profiter de la meilleure immunité aux parasites de la modulation en fréquence (les lignes téléphoniques étaient souvent aériennes à l'époque), mais le débit était réduit. La modulation de fréquence n'est pas compatible avec des débits plus importants et il n'est pas possible de combiner la modulation en fréquence avec une autre modulation.

On retrouve la modulation en fréquence dans certaines applications spécifiques, par exemple l'enregistrement vidéo, où la luminance est enregistrée en FM, permettant de réduire l'effet des drop-outs et du bruit de fond. L'enregistrement est effectué à puissance maximale pour saturer totalement la bande et avoir le meilleur rendement.

Modulation en phase

Cette modulation n'est pas utilisée pour des applications analogiques. La modulation de phase n'est que rarement utilisée seule, mais souvent combinée à la modulation d'amplitude, ce qui permet de transmettre plus d'un bit par baud (changement d'état). Il n'y a pas de référentiel (phase de référence): on transmet un bit par saut de phase. Même sans modulation d'amplitude il est aisé de transmettre plus d'un bit par baud en jouant sur le saut de phase: +90° pour coder un 01, +180° pour un 11, +270° pour un 10 et pas de changement de phase pour un 00.

La modulation de phase et d'amplitude combinée (QAM: quadrature amplitude modulation) est utilisée quand le médium est peu brouillé (lignes téléphonique entre l'utilisateur et la centrale la plus proche) et permet un débit important.

OFDM (orthogonal frequency division multiplexing)

Il ne s'agit pas à proprement parler d'une modulation dans le sens strict du terme, mais d'un multiplexage de plusieurs fréquences rapprochées pour transmettre l'information. Les fréquences utilisées sont sélectionnées de telle manière à ne pas s'influencer. Le message à transmettre est coupé en morceaux et chaque morceau est transmis indépendamment sur une des fréquences. La modulation de chaque fréquence est une modulation classique (par exemple QAM).

Pour éviter le fading causé par la réception multipath (trajets multiples), on ajoute un code correcteur qui permet de restituer le message, même avec une ou plusieurs fréquences atténuées. Ce système est utilisé pour le DAB et permet l'utilisation de la même fréquence (en fait il s'agit d'une série de fréquences contigues) pour tous les émetteurs à condition qu'ils diffusent les mêmes programmes.

Le multiplexage des différentes fréquences produit un spectre de fréquences pratiquement plat (voir graphique), une indication que la bande passante est utilisée au mieux et que l'interférence avec les canaux voisins est limitée.

Le "rendement" est meilleur en utilisant une série de fréquences contiguës qui ont chacune un débit réduit, en comparaison de l'utilisation d'une seule fréquence, mais avec un débit élevé.

La détection d'un tel signal nécessite un traitement complexe qui ne peut être effectué que par un processeur adapté. Pas de détection par la diode, ici!

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