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M2107 : Principe des transmissions radio
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Pourquoi transmettre?
=> Télécommunication => Radio
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L’idée, transmettre une information telle quelle !
Mauvaise idée pour deux raisons importantes
Domaine de fréquence du son : 0 à ~20kHz.
Antenne de 3,5 km
=> Impossible !!!=> Inaudible !!!
la longueur d’onde est la distance parcourue par l’onde au cours d’une période.
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Etape 1 : Réduire la longueur des antennes=> Augmenter la zone fréquence à transmettre!!
Etape 2 : Permettre de transmettre plusieurs informations en même temps
=> Attribuer à chaque information un canal qui lui est réservé.
• Radio FM : 87MHz – 108MHz
• Télécommande radio : 433kHz
Canal temporel ou canal fréquentiel
Les émetteurs en télécommunication.
Modulateur : Transforme notre signal utile en un signal télécom.
Oscillateur : Générer une fréquence élevée, liée à notre antenne.
Spectre?6
Les modulateurs.
Deux grands principes de modulations.
Modulation d’amplitude
L’information utile esttransmise par l’amplitudedu signal haute fréquence.
Modulation de fréquence
L’information utile esttransmise par la fréquencedu signal haute fréquence.
Amplitude
temps
Am
plitu
de
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La modulation d’amplitude
L’idée : Multiplier un signal dit porteur avec un signal dit modulant afin de créer un signal dit modulé
Signal modulant : C’est le signal utile, l’information que l’on veut transmettre
Signal porteur : Signal haute fréquence permettant de transposer notre signal modulant en haute fréquence
Signal modulé : Signal haute fréquence résultant de l’opération de multiplication
AM : Signal modulé (t) = Signal porteur (t) * (1+ k*Signal modulant(t))
Structure?
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La modulation d’amplitude et son signal temporel
Exemple de transmission d’un signal sinusoïdale : le « LA »
Fréquence d’un « LA » : Fe = 440hz, d’amplitude max V
Avec s(t) : signal modulé, e(t) le signal modulant, signal porteur de fréquence Fp
Rappel : Signal modulé (t) = Signal porteur (t) * (1+ k*Signal modulant(t))
m : indice de modulation ? m = k * Vm
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La modulation d’amplitude et son signal temporelExemple de modulation
m : indice de modulation
m = 0,7 m = 1,4
On retrouve l’enveloppe aucun souci pour démoduler
• Risque de distorsion lors de la détection de l’enveloppe
• On parle de sur modulation dès que m>1.
• Obligation d’utiliser un démodulateur performent 10
La modulation d’amplitude et son spectre• Fréquence d’un « LA » : Fe = 440hz
• Avec s(t) : signal modulé, e(t) le signal modulant, signal porteur de fréquence Fp
𝑆 𝑡 = 𝐸 ∗ (1 + 𝑚 ∗ cos 2 ∗ 𝑝𝑖 ∗ 𝐹𝑒 ∗ 𝑡 ) ∗ cos(2 ∗ 𝑝𝑖 ∗ 𝐹𝑝 ∗ 𝑡)
Spectre?
Rappel :
=> Généralisation à un signal réel audio.
f
A
Fmin Fmax
Bande occupé B = 2*Fmax
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La modulation d’amplitude : exemple d’application
Applications :
• en radiodiffusion PO ou GO, un émetteur a droit à une bande de 9 kHz, ceci ne peut être réalisé que si on limite le spectre basse-fréquence à 4 kHz
• un canal CB ayant une largeur de 10 kHz, le spectre basse-fréquence doit être limité à 5kHz
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La modulation d’amplitude : notre modulateur
Spectre? Constituant du modulateur?
Rappel : Signal modulé (t) = Signal porteur (t) * (1+ k*Signal modulant(t))
162 kHz France Inter France
Démo sous labview
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La modulation d’amplitude : deux types de modulations d’amplitude• Signal temporel et Spectre d’une modulation d’amplitude dit à porteuse conservée.
• Signal temporel et Spectre d’une modulation d’amplitude dit à porteuse supprimée.
Signal temporel
Problème la puissance se partage sur l’ensemble du spectre.=> la raie porteuse qui ne contient pas d’information utilise et consomme de la
puissance
Signal temporel
Spectre
Spectre
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La modulation d’amplitude : modulation à porteuse supprimée
Réalisation du modulateur :
Spectre?
Signal modulant
Signal porteur
Signal modulé
La fonction multiplication permet La transposition en fréquence
Emetteur BLU : Envoi d’une bande de fréquence
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La modulation d’amplitude : Analyse des fréquences GO => la bande de 150 kHz à 300 kHz
216 kHz Radio Monte Carlo France
162 kHz France Inter France
183 kHz Europe 1 Allemagne
=> un émetteur a droit à une bande de 9 kHz,
Multiplexage fréquentiel
=> Chaque station émettrice dispose donc d’un canal donné autour de sa fréquence porteuse et ne doit pas sortir de ce canal.
=> Comment faire?
Démo 16
Après la modulation d’amplitude place à la démodulation d’amplitude.
Objectif : récupérer le signal modulant du départ.
Filtre passe bande : réglé sur le canal que l’on souhaite démoduler
Démodulateur : Deux types :• Démodulateur par détection d’enveloppe• Démodulateur synchrone
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Démodulation d’amplitude : Démodulateur par détection d’enveloppe
Signal temporel du signal modulé Signal temporel du signal modulant
Exemple : Si m<= 1, sous modulation.Si m>1 sur modulation
AM porteuse supprimée : Signal modulé (t) = Signal porteur (t) *Signal modulant(t))*k
AM porteuse conservée : Signal modulé (t) = Signal porteur (t) * (1+ k*Signal modulant(t))
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Démodulation d’amplitude : Démodulateur synchrone
Exemple : Si m< 1, sous modulation.Si m>1 sur modulation
Signal modulé
Signal porteurReconstitué déphasé de phi par rapport à la porteuse du modulateur
AM porteuse conservée : Signal modulé (t) = Signal porteur (t) * (1+ k*Signal modulant(t))
Rappel :
AM porteuse supprimée : Signal modulé (t) = Signal porteur (t) *Signal modulant(t))
Impact de PHI sur la démodulation?
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Démodulation d’amplitude : Démodulateur synchroneRécupération de la porteuse synchrone
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Démodulation d’amplitude : retour à notre démodulateur
Objectif : récupérer le signal modulant émis par le modulateur
216 kHz Radio Monte Carlo France
162 kHz France Inter France
183 kHz Europe 1 Allemagne
Comment choisir notre station de radio?
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Démodulation d’amplitude : Démodulateur hétérodyne
Objectif : récupérer le signal modulant émis par le modulateur et choisir notre station de radio
Principe : Utiliser un seul démodulateur réglé sur une bande de fréquence précise et décaler le spectre que l’on veut démoduler dans cette même bande de fréquence.
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Démodulation d’amplitude : Démodulateur hétérodyne
Etage 1 : Module amplificateur HF
Etage 4 : Filtre passe bande sélectif centré sur 455Khz
Fc = 455Khz
Etage 3 : Bloc produit
Etage 2 : Oscillateur à fréquence réglable.
Contient l’ensemble desstations radio reparties surleur canal respectif.
Générateur de signalsinusoïdale de fréquence Fol
Permet unetranspositionen fréquenceautour d’unefréquenceintermédiaire.
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Démodulation d’amplitude : Démodulateur hétérodyne
Etage 5 : Contrôleur automatique de Gain ( CAG)
Signalmoduléautour de455Khz
Signal moduléautour de 455Khzet amplifié
Pourquoi amplifier le signal ?
Puissance reçue estproportionnelle à l’inverse de ladistance
Etage 6 : Démodulateur
• Détecteur d’enveloppe.• Démodulateur synchrone
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Démodulation d’amplitude : Démodulateur hétérodyne, dimensionnement complet
GO : la bande de 150 kHz à 300 kHzun émetteur a droit à une bande de 9 kHz
Bande passante? Fréquence Centrale? Plage de fonctionnement?
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Synthèse :
• Dans une modulation d’amplitude quel élément transmet le signal utile ?• Donner la relation entre signal modulant, signal modulé, signal porteur.• Donner la structure d’un modulateur d’amplitude à porteuse conservée.• Donner le spectre d’une modulation d’amplitude à porteuse conservée avec
un signal modulant d’amplitude A et de fréquence F.• Rappeler la formule de l’indice de modulation.• Donner l’encombrement spectral d’une modulation d’amplitude.• Donner la structure d’un modulateur d’amplitude à porteuse supprimée.• Donner le spectre d’une modulation d’amplitude à porteuse supprimée.• Donner l’avantage de cette modulation d’amplitude à porteuse supprimée.• Comment transposer en fréquence un spectre ? Donner la structure
permettant de transposer en fréquence.• Rappeler ce qu’est la démodulation d’amplitude par détection d’enveloppe.• Rappeler ce qu’est la démodulation d’amplitude synchrone.• Donner la structure permettant une démodulation synchrone. Rappeler les
équations liées à ce type de démodulateur.• Expliquer l’intérêt d’un démodulateur hétérodyne.• Rappeler le schéma d’un démodulateur hétérodyne.
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La modulation de fréquence
L’idée : Générer un signal de fréquence variable dans lequel la variation de fréquence est directement liée au signal modulant.
Signal modulant : C’est le signal utile, l’information que l’on veut transmettre
Signal modulé : Signal haute fréquence dont la fréquence de celui-ci contient l’information utile
FM : La fréquence instantanée de la porteuse s’écrit : fp(t) = f0+ k*e(t)
Avec f0, la fréquence centrale de mon signal HF et e(t) le signal modulant
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La modulation de fréquence
FM : La fréquence instantanée de la porteuse s’écrit : fp(t) = f0+ k*e(t)
On en déduit la pulsation de notre signal modulé
=> ωp (t) = ω0 + 2*π*k*s(t)
D’où la phase de notre signal :
=> θ(t) = ∫ω𝑝 𝑡 𝑑𝑡
𝑆𝑚 𝑡 = 𝐸 ∗ cos(ω0∗ 𝑡 + 2 ∗ π ∗ 𝑘 ∗ : 𝑒 𝑡 𝑑𝑡)
𝑒 𝑡 𝑆 𝑡
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La modulation de fréquence
Exemple :
On souhaite transmettre un signal carré de valeur min –A et valeur max +A
Signal modulantModulateur
De Fréquence t
Signal Modulé
Si notre signal ne contient que deux états (deux valeurs de tension), dans notre signal modulé, on ne retrouve que deux fréquences
𝑅𝑎𝑝𝑝𝑒𝑙 ∶ 𝑆𝑚 𝑡 = 𝐸 ∗ cos(ω0 ∗ 𝑡 + 2 ∗ π ∗ 𝑘 ∗: 𝑒 𝑡 𝑑𝑡)
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La modulation de fréquence
Cas réel
Notre signal étant analogique, on retrouve une infinité de valeurs de tension comprises en Vmin et Vmax de notre signal.
On doit donc obtenir pour chaque valeur de tension d’entrée, une fréquence de sortie.
Un modulateur de fréquence n’est rien d’autre qu’un convertisseur tension vers fréquence
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La modulation de fréquence.
Objectif : transformer une tension variable en signal électrique de fréquence variable.Utilisation d’un VCO : Voltage Control Oscillator
Tension d’entréee(t)
Signal sinusoïdale dont la fréquence dépend de e(t)
Caractéristique idéal d’un VCO ?
Caractéristique Reel d’un VCO ? Domaine de fonctionnement
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La modulation de fréquence : schéma de modulateur.
• V0 gère la fréquencecentrale f0
• Emax et Emin, valeurmax et min de e(t) gèrel’excursion en fréquenceautour de f0
• fmin? fmax? Δf?
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La modulation de fréquence : indice de modulation.
Avec Δf l’excursion en fréquence autourde f0Avec F fréquence max du signalModulant
indice de modulation? Rappel : fp(t) = f0+ k*e(t)
Avec e(t) = a*cos(2*π*F*t ) Δf = k*a
Exemples:• les émissions de radiodiffusion dans la bande FM sont à excursion moyenne: avec
Δf = 75 kHz et F = 10 kHz, alors m=7
• les satellites TV travaillent à forte excursion dans la bande des 10 GHz : Δf = 9 MHz et F = 1 MHz alors m=9.
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La modulation de fréquence : spectre.Signal modulé :
A l’aide des fonction de Bessel, on décompose notre signal modulé sous laforme de somme de fonctions sinusoïdales.
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La modulation de fréquence : spectre.Signal modulé :
La bande de Carson représente labande fréquence où l’on retrouve98% de la puissance du spectre FM
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La modulation de fréquence : Structure complète d’un émetteur.
+ passe bande
f1 = 10.7 MHz
• 101,6 MHz Activ Radio
• Δf = ±75 kHz et F = 10 kHz
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La démodulation de fréquence : Structure complète d’un récepteur.
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La démodulation de fréquence : Le démodulateur
Le démodulateur est constitué d’un système à boucle à verrouillage dephase.
Lorsque la PLL est dite verrouillée, c’est-à-dire que la fréquence du signalà démoduler est dans la plage de fonctionnement de la PLL alors :
f(t) = f’(t)
Ainsi, si on considère que l’entrée de notre démodulateur est l’entrée de laPLL et la sortie de notre démodulateur est v(t).
On obtient un convertisseur fréquence vers une tension soit l’inverse denotre modulateur FM 38
La démodulation de fréquence : Le démodulateur
Caractéristique de notre PLL en démodulateur de fréquence.
Tension de sortie
Fréquenced’entrée
Fmin Fmax
Zone de verrouillage
Zoned’accrochage
Vmax
Vmax/2
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