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22 mars 2013
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transmission de l'info : radio ou internet

cinquième partie (5/7)

modulation de fréquence de l'émetteur au récepteur
transmission numérique en bande de base
avec changement de fréquence commande d'un VCO
système dérivé de la MA par multiplication
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Modulation de fréquence

principe

L'objectif de la modulation de fréquence a été initialement d'obtenir une meilleure qualité des transmissions vocales. L'amplitude de la porteuse reste constante (en fait cela n'a pas grande importance) c'est sa fréquence qui est modulée. Ce qui présente un énorme avantage. En effet les divers bruits parasites qui perturbent une onde électromagnétique ont le plus souvent comme conséquence d'en perturber l'amplitude.

C'est une technique très employée en radiodiffusion, mais aussi en télécommunications avec des véhicules en mouvement (taxis par ex.)

Considérons un oscillateur commandé en tension (VCO) on sait qu'il fournit en sortie un signal d'amplitude constante mais dont la fréquence est en relation linéaire avec la tension de commande. Et appliquons lui en entrée un signal modulant...

Soit un signal X = Xocost et une onde Y = Yocos(t + ) = Yocos. On va faire une modulation de fréquence si on fait varier en lui ajoutant la quantité kXocost = cost. Dans ces conditions la pulsation instantanée est dq/dt = + cost soit en posant f =/2 il vient


en posant m = f/F indice de modulation, on voit que l'excursion en fréquence de la porteuse couvre la gamme f -f, f +f. Mais attention le spectre de l'onde modulée n'est pas dans cette gamme en effet en décomposant en série de Fourier l'expression de Y = Yo cos(t + msint) on constate que l'onde modulée comprend des composantes , + et - comme en modulation d'amplitude mais aussi des composantes + n et - n avec n entier dont l'amplitude décroît avec n mais varie de façon beaucoup plus complexe avec m (selon des fonctions de Bessel). L'encombrement du spectre de fréquence est beaucoup plus important qu'en modulation d'amplitude ce qui justifie l'emploi de porteuse à fréquence beaucoup plus élevée (88 à 108 MHz en radio FM).


encombrement du spectre d'une onde modulée en fréquence selon l'importance de la modulation

Sur la figure ci-dessus on a fait figurer en noir le spectre de fréquence pour une onde modulée avec un facteur de modulation de 5. On constate dans ce cas que la porteuse est très affaiblie et que l'on a des ondes de f - 8F à f + 8F avec des amplitudes maximales pour les composantes à f + 5F et f - 5F.

Par contre si m = 0.1 on n'aura dans le spectre que la porteuse f beaucoup moins affaiblie, ainsi que f - F et f + F qui auront une amplitude moindre que dans le cas précédent.

réalisation

On utilise divers principes. Le plus simple consiste à insérer dans un oscillateur une capacité variable du type diode varicap dont C = KVa, avec a = 1/2 environ. On emploie l'oscillateur Clapp par exemple.

Le problème principal qu'on rencontre est que la fréquence de la porteuse doit être très stable sinon il y a risque de superposition avec un canal voisin. On va donc utiliser un oscillateur à quartz pour générer f et lui associer une varicap pour l'excursion en fréquence autour de f, ou bien réaliser une structure à boucle d'asservissement de phase.


Fig. modulateur à fréquence porteuse régulée

En l'absence de signal modulant la fréquence de sortie est rigoureusement égale à Nfo, lorsque la boucle fonctionne, c'est à dire quelques centaines de µs après la mise sous tension. En permanence l'asservissement va réagir aux perturbations éventuelles, cependant la constante de temps de réponse n'est pas nulle, donc si le signal modulant varie suffisamment rapidement la fréquence de sortie sera modulée par ce signal, mais sa valeur moyenne restera pilotée par celle de l'oscillateur à quartz, c'est à dire qu'une dérive lente du VCO sera contrôlée et donc impossible.

Pour réaliser un émetteur il suffit de rajouter en sortie un ampli de puissance en classe C et une antenne. Notons que quelquefois au niveau du sommateur on rajoute un limiteur de tension qui aura comme objet d'éviter toute surmodulation accidentelle qui entrainerait le dispositif à déborder de la bande de fréquences qui lui est allouée.

récepteur
Pour détecter une onde modulée en fréquence on transforme la modulation de fréquence en modulation d'amplitude et ensuite on exploite le procédé déjà rencontré.


fig. principe d'un récepteur FM

Un récepteur FM va donc comporter les éléments suivants:
détecteur synchrone


Le signal à démoduler est envoyé aux deux entrées d'un multiplicateur, directement sur l'une et après passage dans un circuit déphaseur sur l'autre. Tout repose sur la linéarité de ce dernier qui déphase le signal en fonction de la fréquence (courbe en noir) avec un déphasage de 90° très exactement pour fi ainsi l'amplitude en sortie du multiplieur (courbe orange) est elle directement proportionnelle à la fréquence (dans une plage limitée, mais suffisante, autour de fi) et par conséquent semblable au signal modulateur qui a généré la modulation de fréquence.

transmission numérique

La transmission des données numériques implique quelques contraintes supplémentaires car elles ne possèdent pas les caractéristiques spectrales leur permettant une transmission directe à longue distance par une ligne ou entre antennes. Deux procédés sont couramment employés pour adapter les signaux numériques au support de transmission : le transcodage et la modulation.

Le principal problème posé par la transmission de données numériques est la nécessaire synchronisation entre l'horloge de l'émetteur et celle du récepteur. Dans un système de transmission synchrone on dispose d'une horloge qui impose la périodicité de la transmission, mais il faut aussi transmettre un certain nombre d'informations en début de toute transmission pour permettre au système de réception de comprendre le message transmis. Dans un mode asynchrone on envoie seulement une suite de bits constituant un mot suivi d'un temps mort qui peut être quelconque. On doit donc transmettre en début de mot un code de start qui permet d'identifier ce début et en fin un code de stop

transmission en bande de base

On effectue un transcodage permettant d'adapter le message à transmettre au type de support (ligne)tel que le récepteur pourra décoder le signal transmis. L'une des principales techniques consiste à faire en sorte que le signal transmis soit à moyenne nulle ce qui garantit en général un spectre limité (on a intérêt à ce que le spectre du signal transmis soit le plus étroit possible) ce qu'on peut obtenir de diverses façons soit en codant de façon symétrique les 1 et les 0 (et en admettant qu'on aura statistiquement autant de 1 que de 0) via les codes NRZ et RAZ, soit ce qui est plus sûr en codant les bits de telle sorte que chacun 1 ou 0 soit à moyenne nulle (codes Manchester).



Dans ce type de transmission le signal codé est envoyé tel quel sur la ligne et le récepteur devra simplement avant de le décoder lui faire subir une remise en forme c'est à dire le reconstituer tel qu'il était à l'émission. La figure ci-dessous illustre le problème, la reconstitution s'effectuera à l'aide d'un comparateur le plus souvent.


fig principe et résultat de la remise en forme

A l'examen de la figure on constate, après correction, une succession de niveaux hauts et bas proches du signal émis, mais avec cependant quelques petites différences dépendant de l'importance de la distorsion à l'arrivée avant le comparateur ainsi les retards au front montant ou descendant n'ont pas tous la même importance. En pratique cela veut dire que la durée des impulsions ne doit pas être inférieure à un certain seuil en dessous duquel on risquerait de ne plus reconnaitre les données. C'est ce qui explique la faible vitesse des transmissions en bande de base tout particulièrement en code NRZ comme dans cet exemple.

transmission avec changement de fréquence

L'exploitation du VCO est tout à fait plausible avec des signaux numériques puisque selon le niveau 0 ou 1 (ou -V +V) on aura immédiatement modulation de la fréquence à deux valeurs bien distinctes et ce pendant toute la durée du niveau, comme les signaux numériques sont souvent en 0+5V et maintenant souvent moins et que le VCO nécessite si l'on veut deux fréquences bien distinctes un écart de tension de commande sensiblement différent on passera par un étage de commande intermédiaire qu'on peut schématiser comme suit


Fig. commande numérique d'un VCO

A l'autre bout de la chaïne il faudra un récepteur qui pourrait être du type représenté ci-dessous.


Fig. principe d'un récepteur à démodulation de fréquence

Le signal modulé est capté par le récepteur et traité par un démodulateur analogique dont les réponses à des signaux sinusoïdaux f1 et f2 seront des niveaux x1 et x2. S'il n'y avait pas de distorsion lors de la transmission on retrouverait des signaux rectangulaires parfaits et l'information serait reconstituée en code NRZ, mais comme les paliers ne sont pas parfaits, non plus que les transitions de niveaux ne se produisent instantanément on est amené à exploiter un circuit de remise en forme avec comparateur et bascule D pilotée par une horloge de même fréquence que celle de l'émetteur

on peut procéder à une démodulation complètement numérique


Fig. exemple de démodulateur numérique

Le principe repose sur l'emploi d'un détecteur de passage à zéro qui génère une très brève impulsion à chaque passage à zéro par valeur croissante du signal modulé et celui d'un compteur qui va compter des impulsions provenant d'un générateur dont la fréquence est très supérieure aux f0 et f1 du signal modulé. Ainsi le compteur compte entre deux impulsions provenant du détecteur et le résultat du comptage est comparé à une référence correspondant à une valeur intermédiaire entre f0 et f1. Le résultat est alors envoyé sur une bascule D dont l'horloge est fournie par le détecteur. Ainsi après chaque impulsion le résultat du comptage précédent correspondant à un niveau 1 ou 0 est recopié en sortie de la bascule D et ainsi le codage NRZ est reconstitué.

système de transmission dérivé de la modulation d'amplitude


Fig. modulateur "numérique" équilibré

Le principe de modulation est celui de la modulation d'amplitude c'est à dire la multiplication de deux signaux : la porteuse et le signal numérique. Ce dernier est comparé à une tension de référence Vref judicieusement choisie et la sortie du comparateur pilote deux MOSFETs complémentaires dont le point milieu va donc se trouver sensiblement soit à V1, soit à V2, selon le niveau du signal numérique.

La sortie du multiplieur est sensiblement égale à S = A[ (X1 - X2)Y3/(K - S) ] où A et K sont des constantes caractéristiques du multiplieur utilisé et l'on voit bien que la sortie est proportionnelle à Y3 P sinot.

Pour illustrer tout ce qui vient d'être dit nous donnons ci-dessous un schéma synoptique d'un circuit commercialisé par Fujitsu Microelectronics Europe et que l'on retrouve dans nombre de téléphones mobiles. Ce circuit comporte la possibilité de fonctionner aussi bien sur la gamme 900MHz que sur la gamme 1800MHz ce qui est obtenu en doublant pratiquement tous les circuits d'entrée ou de sortie d'antenne. Dans le même composant hybride on trouve absolument tous les éléments d'un émetteur-récepteurs : oscillateurs, synthétiseurs à PLL, circuits BF, aiguillage entrée-sortie, filtres céramiques et filtres à onde de surface. La puce principale est représentée sur le figure en gris foncé, tous les éléments externes à cette puce sont intégrés dans le boitier sauf l'antenne.

Conclusion

Ce qui précède n'est qu'un petit aperçu des multiples techniques que l'on peut imaginer pour transmettre des données, le lecteur intéressé pourra consulter avantageusement les ouvrages spécialisés dont nous donnons un échantillon, lui aussi non exhaustif, ci-après.

C. More, Transmission de signaux, Tec Doc, Paris, 1995.

M. Boisseau, les transmissions de données du modem au RNIS, Hermès, Paris, 1990

J. Hervé, Electronique pour les transmissions numériques, Ellipses, Paris, 1993.

J. Hervé, Electronique appliquée à la transmission de l'information, Masson, Paris,1981.

X. Lagrange, Ph. Godlewski, S. Tabbane, réseaux GSM-DCS, Hermès, Paris, 1993.

L. Starke, Grundlagen der Funk- und Kommunikationstechnik, Hüthig, Heidelberg, 1996

G. Calhoun, radio cellulaire numérique, Tec Doc, Paris, 1992

P-G. Fontolliet, systèmes de télécommunications, PPUR, Lausanne, 1990.

R. Du Bois, Structure et applications des émetteurs et des récepteurs, PPUR, Lausanne, 1995

F. De Dieuleveult, Electronique appliquée aux hautes fréquences, Dunod Ed., Paris, 1999.

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