MODULATION

Sans mathématiques

Le but de la modulation est de translater une information basse fréquence (sons, musique, parole ou bits de données) vers les Hautes Fréquences pour pouvoir le transmettre facilement par voie hertzienne.
La radio, la télévision, les lignes téléphoniques (modem) utilisent le procédé de modulation.
Le signal H.F est appelé PORTEUSE (il ne contient aucune information).
Le signal B.F est appelé SIGNAL MODULATEUR. (C'est l'information).

Une sinusoïde (notre porteuse) est définie par trois paramètres :

Chacun des trois paramètres de la porteuse peut être séparément rendu proportionnel au signal à transmettre (l'information).
Ce qui donne lieu aux trois types fondamentaux de modulation : On peut aussi combiner des types différents (exemple phase et amplitude, très utilisé en transmission numérique).

MODULATION D'AMPLITUDE

L'applet Java ci-dessous ( (C) 1996, 1997 Hewlett Packard) vous permet de visualiser une porteuse modulée en amplitude

Placez la souris dans la fenêtre Time Domain puis sur le losange bleu qui apparaît; vous visualisez alors le signal Bf (signal modulant) qui constitue l'enveloppe de modulation.
Le signal modulant peut (en fonction du circuit de modulation électronique réalisant la multiplication des deux signaux et appelé "modulateur") faire varier le signal porteur dans des proportions plus ou moins grandes.
Ce rapport entre valeur maxi et valeur mini de la porteuse modulée est appelé taux de modulation m, il s'exprime en pourcentage.
Bougez le curseur noté m et voyez les modification sur le signal modulé (de porteuse pure, m=0 à porteuse modulée à 100%, m=1)

Notez qu'une modulation supérieure à 100% (cochez overmodulate et affichez m=1,2) commence à donner une distortion de la modulation (regardez votre signal Bf en mettant la souris sur le diamant bleu de la fenêtre Time Domain)

La fenêtre de droite (Frequency Domain) permet de visualiser le spectre de fréquence émis (Fp, Fp-Bf, Fp+Bf).
Bougez maintenant le curseur Wm de la position extrême gauche à extrême droite, vous modifiez ainsi le fréquence Bf (fréquence modulante).
Notez ce faisant, la variation du spectre de fréquence émis (spectre étroit pour bf faible et spectre large pour Bf élevée.

Lorsque l'on émet une voix, le signal modulant n'est plus une simple fréquence Bf mais une succession de fréquences allant, disons de 300 Hz à 3000 Hz.
Le spectre émis n'est alors plus constitué simplement de la porteuse et de deux raies de modulation comme dans l'applet Java ci-dessus, mais de deux bandes latérales de modulation.
La bande latérale inférieure (BLI, ou LSB en anglais pour Lower Side Band) et la bande latérale supérieure (BLS, ou USB en anglais pour Upper Side Band).
Plus la bande de fréquence Bf à émettre est grande (musique par exemple) plus la largeur du spectre augmente.
Cela a pour conséquence de limiter le nombre de station sur une bande car les fréquences porteuses utilisées doivent être suffisamment éloignées les unes des autres pour éviter le QRM.


Ci-dessous, cas de canaux trop proches (la BLI de l'un interfère avec la BLS de l'autre) et, des canaux correctement espacés.

On peut remarquer que chaque bande de modulation contient l'information Bf qui seule nous intéresse pour la compréhensibilité du message.
Pourquoi la transmettre deux fois ?
On va donc en supprimer une, ainsi que la porteuse Fp.
On gagnera ainsi de la place sur la bande et d'autre part, l'énergie de l'amplificateur de puissance de notre émetteur ne sera consacrée qu'à l'amplification de la seule bande restante.
Nous aurons alors une émission en Bande Latérale Unique , BLU (ou SSB en anglais pour Single Side Band).
On pourra même, en réalisant ceci, émettre deux messages différents sur la même fréquence porteuse (l'un en BLI, l'autre en BLS).
C'est ainsi qu'en aéronautique, les civils utilisent la HF COM en BLS et les militaires en BLI.
Les VOLMETS   Fréquences ici  sont aussi diffusés toutes les 30 minutes en BLU.
D'une manière très simpliste et parfaitement théorique, un simple filtre élimine la porteuse et la bande latérale indésirable ne laissant passer (ici) que la BLS.


Dans la pratique en HF (mettons 10 Mhz) ceci est pratiquement irréalisable. On utilise une méthode par déphasage réalisée par un circuit spécial appelé modulateur équilibré.
Ci-dessous un schéma de modulateur équilibré réalisé par un ensemble de diode (vieille technique); ce modulateur est dit "en anneau" à cause de la configuration des diodes.
Il en existe maintenant en circuit intégré tel le SA612 ou NE612


Ce système fonctionne très bien mais la technique évolue et l'on peut utiliser maintenant des modulateurs I/Q
Le principe est d'obtenir les 2 bandes latérales deux fois avec, (ici par exemple), les deux BLI en opposition de phase et les deux BLS en phase.
Les deux BLI en opposition de phase se neutralisent, reste alors seulement la BLS (mais on peut bien sûr faire l'inverse si l'on veut travailler en BLI).


Le sommateur en sortie fait que la BLI (en bleu) du signal modulé I et la BLI du signal modulé Q se neutralisent et il ne reste que la BLS renforcée.

Modulateur I/Q


MODULATION DE FRÉQUENCE

Dans ce type de modulation (FM pour Frequency Modulation), la fréquence porteuse sous l'influence du signal modulant n'est pas fixe mais varie.
L'information dans ce type de modulation n'est pas, contrairement à la modulation d'amplitude, contenue dans la variation d'amplitude de la porteuse émise (ou reçue) mais dans "l'élasticité" de la période de la porteuse qui varie au rythme du signal modulant Bf.
Notez la complexité (nombreuses raie de modulation) et la largeur du spectre émis par rapport à une modulation d'amplitude pour le même signal modulant.
En FM, on ne parle plus de taux de modulation du signal mais "d'indice de modulation".
Compte tenu de la largeur du spectre, on ne peut pas utiliser la modulation de fréquence sur nos bandes basses étroites, car on ne placerait pas beaucoup de station.
La modulation de fréquence présente l'avantage d'avoir une puissance d'émission constante.

Un autre avantage est sa quasi immunité aux parasites atmosphériques ou industriels, en effet les parasites se traduisent par une augmentation d'amplitude du signal reçu, dans le cas de la FM, il est possible d'écrêter le signal pour couper les parasites sans perte d'information puisque celle-ci est contenu dans la variation de fréquence du signal et non son amplitude




On appelle excursion de fréquence Δ f l'écart entre la fréquence de la porteuse non modulée F0 (atteinte quand le signal Bf passe à zéro ou en abscence de modulation) et la valeur de la fréquence maximale atteinte (Fmax) lorsque le signal modulant Bf est à son amplitude maximum positive Amax (ou la valeur minimale de la fréquence (Fmin) lorsque Bf est à son maximum négatif,Amin).
L'excursion de fréquence dépend de l'amplitude du signal modulant Bf.

On appelle indice de modulation (n) le rapport entre l’excursion de fréquence (Δf) et la fréquence du signal modulant.



On peut avec la modulation de fréquence transmettre des données numériques.
Cette technique s'appelle FSK (Frequency Shift Keying).

Le RTTY utilise le FSK.



Afin de faire varier la fréquence d'un oscillateur, on fait varier la capacité du circuit LC
Le circuit modulateur FM le plus simple consiste en l'ajout d'une diode varicap (Dv en rouge)dont la capacité va varier en fonction de la tension BF qui lui est appliquée.
L'oscillateur va alors varier en fréquence au rythme de la BF.
Ce montage n'est pas stable en fréquence et on lui préfère un montage VCO (Voltage control Oscillator) avec boucle de verrouillage de phase (PLL - Phase Locked Loop).

Le but de ces pages étant juste d'aiguiser la curiosité, aucun détail sur le fonctionnement n'est donné, il existe de nombreux sites consacrés à ces technologies.

MODULATION DE PHASE



Avant de poursuivre, revoyons quelques notions
Un signal alternatif (une porteuse) peut être représentée de plusieurs manières.
La première est sous forme d'un diagramme temporel où l'amplitude instantannée du signal est représentée en fonction du temps (c'est l'image que vous voyez avec un oscilloscope).
La deuxième est une représentation de Fresnel, le signal est représenté par un vecteur dont la grandeur (le module) est égale à l'amplitude maximale du signal et qui tourne à une vitesse Ω , donc fonction de la fréquence.



Déphasage de deux signaux :
Deux signaux sont en phase si il atteignent leur maximum positif et négatif simultannément
Dans le cas contraire l'un est déphasé par rapport à l'autre (soit en avance de phase soit en retard de phase)
Notons que c'est relatif,si le signal rouge est la référence, on dira que le signal bleu est en retard de phase (il passe plus tard à son maximum positif).
Si le signal bleu est la référence, alors le signal rouge est en avance de phase (il passe plus tôt à son maximum positif).
Si dans le cas des deux signaux en phase on veut visualiser le signal résultant de la combinaison des deux signaux, il suffit de faire graphiquement la somme des deux sinusoides (c'est simple).
Dans le cas des deux signaux déphasés, ici de 90°, cela devient plus compliqué, on préférera les représenter sous forme de diagramme de Fresnel, la résultante sera alors la somme vectorielle des deux vecteurs.





On peut ainsi obtenir un signal d'amplitude et de phase quelconque en combinant deux signaux en quadrature (déphasé de 90°)
Par exemple sur la figure de droite, en jouant sur l'inversion des signaux bleus et rouges obtenus à l'aide d'un modulateur I/Q on obtient une des deux porteuses (vertes) en opposition de phase.

La modulation de phase présente toutes les caractéristiques d'une modulation de fréquence, on les regroupe d'ailleurs sous le terme de "modulation angulaire"
On peut faire de la modulation de phase avec un signal modulant analogique BF (la voix par exemple) mais elle trouve tout son intérêt avec les données numériques.
A droite, exemple de transmission d'une série de bits en modulation de phase.
Avec cette modulation, le spectre de fréquence (occupation de la bande) est très étroit puisqu'il n'y a pas de raie de modulation, on n'y trouve que la porteuse.
Ce type de modulation est appelé PSK (Phase Shift Keying).
Dans ce type de modulation on ne peut transmettre qu'un seul bit à la fois, c'est donc lent.
Il existe des modulation de phase plus complexe ou 1 seul état de phase permet de transmettre simultannément plusieurs bits.
On peut même regrouper modulation de phase et d'amplitude.
On utilise un Codage Différentiel ce qui signifie que les informations sont codées par des sauts de phase et non par un déphasage par rapport à une référence (DPSK pour Differential Phase Shift Keying).

Les états de phase peuvent être de valeur quelconque et l'on peut ainsi transmettre plusieurs bits à chaque temps de modulation.
Par exemple 2 bits si 4 sauts possibles, 3 bits si 8 sauts.


Avec ce lien, un listing de (tous) les modes numériques : page de VE2UAL