Multiplicateur
utilisé pour la modulation et la démodulation
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Le multiplicateur est à la base des circuits de modulation modernes. Il est également utilisé dans les démodulateurs synchrones.
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Cet article sur les multiplicateurs a été écrit à la suite des articles à propos de la modulation (AM). Mais les multiplicateurs ne sont pas seulement utilisés pour la modulation d'amplitude...

Index modulation
Modulation d'amplitude et autres types de modulation
Emetteurs, modulateurs, détecteurs et multiplicateurs


Modulation par la diode


Modulation par le courant de plaque

Modulation par la diode

La modulation d'amplitude consiste à multiplier un signal (par exemple une source audio) avec une porteuse haute fréquence. Une modulation d'amplitude peut être réalisée à peu de frais en utilisant la courbe non-linéaire d'une diode (voir article sur la modulation par la diode).

A droite un schéma d'un modulateur à diode avec deux transfos pour superposer le signal HF et BF. Le condensateur en parallèle sur le transfo BF sert de cours-circuit pour les hautes fréquences. Au point 1 nous avons le signal avec dex deux composantes superposées. Au point 2, la composante négative est filtrée par la diode et au point 3 la composante continue est éliminée.

La modulation par la diode a un très mauvais rendement et n'est en pratique utilisée que pour des signaux très faibles. Elle produit beaucoup de produits indésirables qu'il faut éliminer. Il y a certaines applications qui utilisent encore la modulation par la diode, par exemple les radars et la communication avec les satellites où on utilise des fréquences extrèmement élevées. Les produits indésirables (harmoniques) se trouvent sur des fréquences encore plus élevées et ne sont pas amplifiées. Mais en principe on utilise actuellement d'autres méthodes plus efficaces pour moduler un signal.

Modulation par le courant de plaque

La modulation par le courant de plaque a été utilisé pendant plus de 50 ans dans les émetteurs (radiodiffusion). Il s'agit ici d'un vrai multiplicateur où la porteuse est multipliée par le signal audio. La tension d'alimentation de l'étage de puissance (ou de l'étage de commande) est modulé par le signal sonore.

Un exemple est donné ici: schéma fonctionnel d'un émetteur AM très linéaire (à transistors). Il se compose d'un modulateur, d'un étage multiplicateur et d'un étage de puissance fonctionnant en classe C.

Modulateur synchrone (ring modulator)

Pour la modulation de signaux numériques on utilise un modulateur en anneau qui est plus simple, il ne se compose que de 4 diodes. Bien qu'il ait été réalisé à l'origine pour être utilisé dans les modems (signaux numériques), on peut tout aussi bien l'utiliser pour des signaux analogiques (musique).

Si le modulateur en anneau vous rapelle quelque chose, vous n'avez pas tord: c'est en effet le modulateur à diodes qui est rendu plus symmétrique. Le fonctionnement symmétrique permet d'éliminer les produits indésirables de la multiplication (en particulier les harmoniques impaires).

Le modulateur en anneaux est disponible sous forme de petit circuit hybride composé des diodes (pairées) et des transfos. Ils sont spécifiés pour une bande de fréquence donnée et pour une puissance donnée.
  • 1 2 signal modulant (audio)
  • 3 4 et 5 6 modulation
  • 7 8 sortie

Voir schéma à droite:
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 positive, 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.


Multiplicateur (circuit de principe)


AD532


Schéma de principe AD532

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.

Si la détection est effectuée par une diode (détection de l'enveloppe), on obtient un son très déformé. En cas de porteuse supprimée, le signal sonore obtenu est de fréquence double du signal d'origine.

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.

Au lieu d'un modulateur en anneau, on peut également utiliser un circuit intégré multiplicateur qui est plus souvent utilisé quand il faut restaurer la porteuse (émissions AM de radiodiffusion classique).

Modulation par circuit intégré

Avec l'apparition des circuits intégrés, on réalise une modulation avec un circuit multiplicateur. Ce circuit est conçu spécialement pour cet usage. Le multiplicateur est basé sur le fait que l'amplification d'un signal par un transistor est déterminé par le courant qui traverse le transistor. Si on utilise le courant comme second signal, on obtient une multiplication.

Un schéma de principe est montré à droite, où nous avons deux entrées, V1 (commande en tension) et V2 (commande en courant). La sortie est envoyée à un petit ampli opérationnel pour transformer la différence de tension (entre H et K) en une tension référencée par rapport à un niveau zéro (entre Vs et la masse).

AD532

En pratique, on va ajouter des composants pour avoir un fonctionnement plus linéaire. Le but est qu'un facteur "1" sur l'entrée "tension" a le même effet qu'un facteur "1" sur l'entrée "courant". Un tel circuit était très difficile à réaliser jusqu'à l'apparition de circuits intégrés où les caractéristiques de tous les transistors sont identiques.

Les deux entrées sont en fait des étages-tampon pour que l'impédance d'entrée soit la plus élevée possible. Chaque entrée est symmétrique: on peut appliquer le signal sur l'entrée positive ou négative. Cette fonction a été ajoutée pour rendre le circuit le plus universel possible. Les deux amplis opérationnels à l'entrée ont un gain limité (et ne fonctionnent donc pas comme un vrai AOP qui a un gain théoriquement infini). Ils sont ajustés en usine pour avoir un effet multiplicateur identique.

Après l'étage tampon, nous avons le multiplicateur comme expliqué plus haut (montré en jaune dans le second schéma). Il est suivi d'un étage amplificateur (qui aussi transforme la différence en signal référencé par rapport à la masse).

On a ajouté une fonction supplémentaire, notament la superposition (ou addition), entrée Vos. Cette fonction peut être utilisée pour ajouter la porteuse à un signal modulé ou pour éliminer un offset en sortie. La ligne COM est la masse.

Le premier exemple est un circuit qui élève le signal à l'entrée au carré (Vout = Vin au carré).

Un tel circuit sert de base à certains circuits compresseurs/expandeurs (courbe logaritmique et courbe exponentielle).



AD633


Signal audio
Porteuse
Signal modulé à porteuse supprimée

AD633

L'AD633 est un circuit comparable (mais plus moderne, et qui monte à 1MHz). En effet, il n'y a pas cent façons d'effectuer une multiplication.


Modulateur d'amplitude avec réinsertion de la porteuse

Le second exemple est un modulateur AM classique, où il faut réinsérer la porteuse au signal en sortie, car un vrai modulateur ne produit que les deux bandes latérales: cela se voit aisément sur le graphique. Si un tel signal serait détecté par un récepteur ordinaire, il produirait un signal doublé en fréquence.

Le signal résultant est soit en phase avec la porteuse, soit déphasé de 180°. Si on y ajoute la porteuse, on obtient un signal plus important (signaux en phase) ou une réduction du signal (signaux déphasés).


L'AD633 montré ici a une bande passante limitée à 1MHz. S'il faut générer un signal de fréquence plus élevée (par exemple 1512kHz) on fait travailler le modulateur avec une porteuse à 756kHz. Le modulateur est suivi d'un circuit accordé sur 756kHz pour éliminer les produits de la modulation non désirés, puis d'un doubleur de fréquence composé d'un doubleur à diodes, d'un étage amplificateur en classe C et d'un circuit accordé sur 1512kHz (modulation AM classique).

Mesure de la puissance

Le multiplicateur peut naturellement également être employé pour mesurer la puissance circulant dans une ligne d'alimentation alternative (tension × courant). Nous récoltons V et A avec un transfo de tension et un transfo d'intensité pour isoler la partie électronique du réseau.
  • Comme il s'agit de valeurs instantanées, le circuit indique la puissance effective consommée ou produite (kW), tension en sortie positive ou négative.

  • Pour mesurer la puissance réactive (kvar) on déphase la tension de 90° en retard (puisque dans le cas de courant déwatté le courant est en retard de 90° sur la tension).

  • Pour la puissance apparente (kVA) on redresse la tension et le courant avec un redresseur idéal avant de les envoyer au multiplicateur.
La puissance réactive et effective peut être positive ou négative et varier indépendamment l'une de l'autre (générateur ou consommateur).

Démodulation

La démodulation d'un signal modulé en amplitude peut également être effectué par un multiplicateur au lieu d'une diode qui détecte l'enveloppe. Il s'agit alors d'un démodulateur synchrone. Il est utilisé dans les cas suivants:
  • Détection AM de qualité (à la place d'une détection par la diode). On multiplie le signal modulé par le signal d'un oscillateur local synchronisé sur la porteuse. Un tel circuit est utilisé dans certaines radios pouvant recevoir les émissions AM stéréo.

  • Il est par exemple utilisé quand la phase du signal doit également être récupérée (démodulateurs QAM et NTSC/PAL). On utilise alors deux démodulateurs commandés en quadrature (déphasés de 90°). Un exemple d'utilisation d'un démodulateur synchrone étaient les télés couleurs dans la norme PAL et NTSC avec sous-porteuse couleur, où l'information couleur (teint) est transmise par la phase et la saturation par l'amplitude.

  • Détection d'un signal à bande latérale unique (BLU/SSB) où la porteuse reconstituée est multipliée au signal d'antenne.

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