Technique - Le cours

Préparation à la licence radioamateur

vignette entete les differents types de modulations

Et voici le tout dernier cours de cette formation. J'espère que suivre ce cours du début jusqu'à la fin vous a intéressé ? J'espère surtout que cela vous aura permis de vous préparer à l'examen dans de bonnes conditions ?

 

• Je sais que certains d'entre-vous ont déjà passé leur examen et qu'ils ont même déjà peut-être reçu leur indicatif. 

• Vous êtes désormais radioamateur ou en passe de le devenir. A compter de maintenant je vous souhaites à tous de vous épanouir dans ce hobby merveilleux qu'est celui de la radio d'amateur

Mais revenons à nos moutons puisque nous avons quand même encore quelques petites choses à voir ensemble. Nous allons parler aujourd'hui des différents types de modulations.

 

Schématisation des différents types de modulations

 

La tension instantanée en fonction du temps d’un signal sinusoïdal peut se caractériser par trois grandeurs qui varient au rythme de l’information transmise :

• Amplitude

• Fréquence

• Phase

 

modulation 01 f4htz

 

 

Pour transporter une information grâce à ce signal, il faut le moduler en fonction de cette information.

 

Moduler ce signal consiste à modifier une de ses trois grandeurs au rythme de l’information émise.

 

Une modulation peut se représenter de deux manières :

• en fonction du temps (oscillogramme):
- en AM et CW, la partie grisée représente la HF ;
- en FM, la HF est représentée par un large rectangle grisé

 

modulation 02 f4htz

 

 

• en fonction de la fréquence (spectrogramme):
- moins courant (peu de questions recensées à l’épreuve de technique)
.

 

modulation 04 f4htz

 

 

 

Les modes digitaux (appelés aussi MGM : Modulation Générée par une Machine) n’échappent pas à cette classification :

 

• la CW est une modulation d’amplitude numérique à 2 états (tout ou rien : j’émets ou je n’émets pas)

• le FSK (Frequence Shift Keying) est une fréquence modulée par une sous-porteuse contenant l’information numérique
- transmettre en AFSK sur un émetteur BLU équivaut à moduler en FSK

• le PSK (Phase Shift Keying) module la phase. Celle-ci peut prendre un nombre d’états possibles variable :
- 2 états : 0 et π donnant du 2-PSK
- 4 états : 0, π /2, π et 3 π /2 donnant du 4-PSK

modulation 03 f4htz

 

• combiner différents types de modulations augmente le nombre d’états possibles (qui sera toujours une puissance de 2).
- exemple ci-contre : QAM16 = modulation de phase et d’amplitude permettant de coder 16 positions différentes (valence = 16)
- débit binaire (en bps) = nb de changement d’état par seconde (en bauds) x valence
- le débit binaire est limité par la bande passante (Nyquist) et le rapport signal/bruit (Shannon)

 

 

Schématisation des différents types de modulations

 

Seuls les noms des étages, selon le type de modulation, et quelques termes techniques sont à connaître :

 

modulation 05 f4htz

 

Voyons en détail ces notions par type de modulation

 

 

Modulation d'amplitude (AM)

 

La modulation d’amplitude (AM) reste la modulation la plus simple à mettre en oeuvre tant en émission qu’en réception.

 

L’étage de démodulation se nomme détection (ou détecteur d'enveloppe) :

 

• il est constituée d'une diode suivie d'un circuit RC passe-bas pour filtrer (niveler) la H.F.

• le niveau B.F. appliqué à l’amplificateur AF est ajusté sur le point variable du potentiomètre R

• une diode au Germanium est préférable car sa tension de seuil (0,3 volt) restituera mieux l’enveloppe BF dans les creux.

 

modulation 06 f4htz

 

 

Le contrôle automatique de gain (CAG) est un dispositif qui permet d’obtenir le même niveau B.F. quelle que soit la force du signal H.F. à l'entrée du récepteur.

 

modulation 07 f4htz

• la tension à l’entrée de l’étage CAG est prélevée sur la détection à travers la résistance R.

 

• la tension de sortie ajuste le gain d'un étage FI à transistor FET double porte.
- la CAG peut aussi agir sur le premier étage HF comme dans le synoptique ci-contre où la CAG est l’étage repéré par "?".

 

 

• c’est cette tension qu’indique le S-mètre du récepteur.

 

modulation 08 f4htz

 

 

La tension du signal AM en fonction du temps, S(t), s'écrit ainsi :

 

S(t) = P . cos (2π.F.t) . [1 + K cos (2 π.f.t)]

 

K = taux de modulation

P = tension crête de la porteuse sans modulation (ou ½ de la tension maximum de sortie de l’amplificateur RF = B/2 du schéma de la page suivante)

F = fréquence de la porteuse

f = fréquence de la BF modulante

 

 

L’AM peut être modulée de différentes façons :

 

• en agissant sur la tension d’alimentation de l’étage RF (schéma 1)

• en mélangeant HF et BF grâce à un MOS-FET(schéma 2)

 

modulation 09 f4htz

 

 

Taux de modulation

 

K(%) = (A – a) / (A + a) = b / B (zone 2)

 

modulation 10 f4htz

 

Surmodulation

 

• lorsque l’enveloppe BF est écrêtée (zones 3 et 4)
- pour éviter la surmodulation et optimiser le taux de modulation, un compresseur de modulation placé avant le modulateur atténue les pointes du signal BF alors que les creux sont, au contraire, amplifiés.

 

 

Modulation de fréquence (FM)

 

Les modulations de fréquence (FM) et de phase (PM) sont des modulations angulaires. Leurs caractéristiques sont très proches.

 

modulation 11 f4htz

• les circuits de démodulation sont identiques.

• nous parlons toujours de FM alors que nous avons souvent affaire à de la PM.

 

L’étage de démodulation se nomme discriminateur

 

• transforme les variations de fréquence HF en variations de BF.

• lorsque 2 signaux FM sont présents à l’entrée du démodulateur, seul le signal le plus fort sera démodulé (contrairement à l’AM et à la BLU)

modulation 12 f4htz

 

 

Il existe plusieurs types de discriminateur :

 

• un détecteur de pente est composé d’un filtre dont la fréquence de résonance est décalée par rapport au signal à démoduler si bien que lors des variations de fréquences, la fonction de transfert du filtre transforme la variation de fréquence en variation de tension.

 

 

 

 

  

Schéma des discriminateurs de type Travis (FM) et Foster-Seeley (PM) 

 

modulation 13 f4htz

 

 

Les discriminateurs modernes utilisent souvent une boucle PLL :

 

• le signal FM est comparé au signal HF issu du VCO.

• après un filtre passe-bas, le signal issu du comparateur (qui est aussi le signal BF modulant) pilote la fréquence du VCO.

 

modulation 14 f4htz

 

 

 La tension du signal FM en fonction du temps, S(t), s'écrit ainsi :

 

S(t) = cos [2π.[F + M . cos (2π.f.t)].t].P

 

 

Tandis que le même signal modulé en phase (PM) s'écrit ainsi :

 

S(t) = cos [2 π.F.t + M. cos (2 π.f.t)].P

M = niveau BF (déterminant l’indice de modulation)

P = tension crête de la porteuse

F = fréquence de la porteuse

f = fréquence de la BF modulante

 

 

On voit que ces deux fonctions sont très proches l’une de l’autre : les oscillogrammes présentés au début du paragraphe le montrent bien.

• Le signal utilisé pour moduler de la PM est la dérivée du signal modulant utilisé pour générer de la FM.

 

 

modulation 15 f4htz

Un modulateur FM est un oscillateur à réactance transformant les variations de la tension BF en variations de fréquence (ou de phase).

 

• par un micro capacitif (en parallèle sur un circuit bouchon)

• par une diode Varicap (en série avec un Quartz, la capacité de la Varicap fait varier la fréquence de résonance du Quartz)

• par une boucle PLL (la fréquence de coupure du filtre passe-bas sera très basse (< 10Hz). La fréquence du VXO et le pas du diviseur seront adaptés à l’excursion souhaitée.

 

 

modulation 16 f4htz

 

 

Les schémas précédents permettent de générer de la FM.

 

La modulation de phase (PM) sera générée à partir de la dérivée du signal modulant.

 

modulation 17 f4htz

 

• la Varicap est montée en série avec l’oscillateur (effet sur la phase en sortie) au lieu d’être montée en parallèle sur le quartz (effet sur la fréquence), voir 2ème schéma de la page précédente.

 

modulation 18 f4htz

 

Cela revient aux synoptiques ci-contre avec :

 

• BF est le signal modulant.

• HF est la porteuse non modulée issue de l’oscillateur local.

• L’oreille humaine ne fera pas la distinction entre un signal FM et un signal PM mais la carte son d’un ordinateur la fera !

 

 

 

 

modulation 19 f4htz

L’indice de modulation (m) est le rapport obtenu en divisant

• l’excursion de fréquence (soit la moitié de la bande passante du signal FM, dF).

• par la fréquence maximum du signal modulant (BF).

m = Excursion (Hz) / BF maxi (Hz)
- Lorsque m < 1, on parle de NBFM

• le fait de passer le signal FM par un multiplicateur de fréquence change son excursion et son indice de modulation.

- Ainsi, un signal FM passant dans un doubleur de fréquence voit son excursion et son indice de modulation doubler.

 

 

Lorsque l’indice de modulation est trop faible (<<1) , la qualité de la transmission se dégrade (bruit, surtout dans les aigus). Pour réduire ce bruit, on renforce les aigus par deux filtres :

 

En émission, le préaccentuateur est situé avant le modulateur FM (après l’ampli AF du microphone)

En réception, le désaccentuateur suit le démodulateur FM et restitue la BF envoyée à l’étage d’amplification AF.

 

 

En l’absence de signal sur son entrée ou en cas de fortes variations d’amplitude, le discriminateur génère du bruit.

 

• pour éviter le souffle en l’absence de signal, on utilise un squelch (ou silencieux) qui coupe l'alimentation d’un étage AF en l'absence de HF (ou en cas d'un niveau HF trop faible, à la limite de la sensibilité du récepteur).

• un circuit limiteur situé entre la FI et le discriminateur écrête les variations d’amplitude du signal FM dues aux parasites qui peuvent perturber le discriminateur.

 

modulation 21 f4htz

 

 

 

Manipulation par coupure de porteuse (CW)

 

CW vient de l’anglais Continuous Waves (traduit en français par "ondes entretenues").

 

• Vers 1910, la technique de l’émission est passée de l’éclateur générant une onde amortie qui couvrait une gamme de fréquence très étendue à des oscillateurs générant une onde entretenue beaucoup plus pure. Ce terme est resté.

 

modulation 20 f4htz

 

 

La CW se démodule comme la BLU (la différence entre la fréquence du BFO et la fréquence à recevoir génère un "battement" dont la fréquence est égale à la tonalité souhaitée qui est souvent autour de 800 Hz.

 

 

La CW peut être modulée :

 

• par rupture d'alimentation sur un ou plusieurs étages :
- oscillateur
> dans ce cas, la stabilité de l’oscillateur peut être détériorée ce qui génère des piaulements en réception
- FI, étage d’amplification
- amplificateur final.

• par rupture de liaison entre deux étages
- dans ce cas, les variations d’impédance de charge peuvent générer des claquements en réception

 

 

modulation 22 f4htz

 

 

 

Bande latérale unique (BLU)

 

 

La BLU est une forme de modulation d'amplitude.

 

En AM, si K = 100% (cas extrême), la tension de la porteuse est le double de celle des deux bandes latérales.

 

• la porteuse contient les deux tiers de la puissance émise

• les deux bandes latérales contiennent le reste.
- sur 150 W émis et avec K = 100%, la porteuse contient 100 W et chaque bande latérale contient 25 W.
- la puissance des bandes latérales est donc au mieux 6 en dessous de la puissance de la porteuse (4 fois moindre).

 

modulation 23 f4htz

 

 

Les deux bandes latérales ne sont pas les enveloppes BF situées au dessus et au dessous de la représentation de l’AM en fonction du temps

 

 

Développement de la formule décrivant la tension d’un signal AM en fonction du temps pour arriver à la formule décrivant la BLU.

 

On vient de voir que la tension du signal AM en fonction du temps, S(t), s'écrit ainsi:

S(t) = P . cos (2 π .F.t) . [1 + K cos (2 π .f.t)]

avec K = taux de modulation et P = 1/2 de la tension de sortie maximum de l’amplificateur final.

  

Donc :

S(t) = P . cos (2 π .F.t) + P . K . [cos (2 π .f.t) . cos (2 π .F.t)]

 

On sait par ailleurs que : cosa . cos b = ½ [cos (a + b) + cos (a - b)] donc :

S(t)=P.cos(2π.F.t)+0,5.P.K.[cos(2π.F.t+2π.f.t)+cos(2π.F.t-2π.f.t)]

 

 

Pour générer de la BLU, on peut utiliser deux systèmes :

modulation 24 f4htz

 

 

• un mélangeur équilibré suivi d’un filtre à quartz.

- le mélangeur équilibré génère de la double bande latérale (DBL = BLI + BLS).
- la bande latérale désirée est isolée grâce à un filtre à quartz.

 

 

 

modulation 25 f4htz

 

• Modulation par déphasage des signaux HF et BF :

- Le signal HF est scindé en deux sources déphasées de 90° et modulées par la source BF. Un des signaux HF modulé est ensuite déphasé de + ou – 90° puis additionné au second signal HF modulé.
- deux déphaseurs de +/- 90° sont donc nécessaires.
> si le déphasage n’est pas parfait, la seconde bande latérale subsiste.
> la démonstration mathématique de cette technique dépasse largement le programme de l’examen et d’autres schémas de principe existent…

 

 

Les mélangeurs équilibrés

 

• deux montages sont courants :
- avec 2 transistors MOS-FET
- avec un pont de diodes en anneau (les diodes se suivent comme dans une boucle, montage différent du pont redresseur).

• sans signal BF, le transformateur de sortie est équilibré. Il n'y a donc pas de HF en sortie. Par contre, en présence d'un signal BF, l'ensemble est déséquilibré et la HF (DBL) passe.

 

 

modulation 26 f4htz

 

 

A la suite du mélangeur équilibré, la bande latérale désirée est filtrée grâce à un filtre à quartz.

• Un filtre à quartz est composé de condensateurs à quartz montés en série et taillés pour une fréquence proche de celle du signal à filtrer.

• Ce type de filtre possède des pentes très raides car un signal adjacent à 200 Hz (écart entre la BLI et la BLS) doit pouvoir être ramené à – 60 dB par rapport au signal utile.

 

modulation 27 f4htz

 

 

 

Le générateur deux tons permet de vérifier la linéarité de l’émetteur :

modulation 28 f4htz

 

Deux signaux BF sinusoïdaux, de même niveau et non harmoniques (par exemple : 900 et 1700 Hz) sont appliqués à l’entrée de l’émetteur.

• un analyseur de spectre, branché à la sortie de l’émetteur, ne devra faire apparaître.
- aucune distorsion de fréquences (les deux signaux auront le même niveau)
- ni aucun autre signal parasite, signe du manque de linéarité d’un étage
- ci-contre, les 2 signaux issus du générateur 2 tons ont le même niveau de puissance mais il y a 2 signaux parasites de chaque côté (le plus fort à -33 dBc environ (distorsion harmonique du 3ème ordre) et le second à -40 dBc (5ème ordre).

 

 

 

Le BFO (Oscillateur de Battement de Fréquence) permet de démoduler la CW et la BLU.

 

• le BFO est un oscillateur fixe qui génère une fréquence proche de la fréquence à démoduler.

• il rétablit la porteuse supprimée à l’émission pour générer de l'AM ou une note audible en CW.

• le mélangeur du BFO est suivi d'une détection AM (ensemble formant un détecteur de produit).

 

 

modulation 29 f4htz

 

 

 

La démodulation de la BLU et de la CW

 

 

modulation 31 f4htz

 

 

 

 

Dans ces schémas, le spectre BF de la BLU est représenté par un triangle ce qui permet de différencier le bas et le haut du spectre BF (0 Hz et 3000 Hz) mais cette représentation ne préjuge pas de la puissance du signal HF ou BF aux fréquences indiquées.

 

En BLU comme en CW, la fréquence affichée par l’émetteur est la fréquence de la porteuse.

• en BLU, il n’y a pas d’émission sur la fréquence affichée (7,200 MHz)

• alors qu’en CW, l’émission se fait sur la fréquence affichée (7,030 MHz)

 

Dans un récepteur à conversion directe, la fréquence de l’oscillateur local est proche de la fréquence à recevoir.

modulation 30 f4htz

 

• Le filtre de bande (étage RF) est suivi d’un mélangeur à la sortie duquel on trouve un signal issu des bandes latérales, qui est le signal modulant lui-même (translation en bande de base).

le démodulateur et les étages FI ont disparu ainsi que les problèmes liés à la Fréquence Intermédiaire (notamment la fréquence image).

• ce récepteur simple à mettre en oeuvre nécessite un amplificateur AF à grand gain et ne démodule que des signaux modulés en amplitude (AM, BLU ou CW, principe assimilé au BFO).

 

 

Pour les modulations angulaires (en FM et PM), le signal AF sera traité numériquement (démodulateur I-Q et traitement du signal en bande de base via la carte son d’un ordinateur par exemple) avant d’être appliqué au hautparleur.

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Cours de préparation à la licence radioamateur - Technique - n°22 / F4KLH / 22-01-2021