La Modulation Analogique

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Système de Télécommunications Les Techniques de Modulation Analogiques Travail Préparé par: Saddiki Ayoub Meskini Mohammed Amine Nachat Tarik Ouboutaib Zakaria Mojahid Mohammed Jrhaider Abdelghani Encadré Par: Mr.Makroum 16-03-2015

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La Modulation Analogique

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Diapositive 1

Systme de Tlcommunications

Les Techniques de Modulation Analogiques Travail Prpar par: Saddiki Ayoub Meskini Mohammed Amine Nachat Tarik Ouboutaib Zakaria Mojahid Mohammed Jrhaider Abdelghani

Encadr Par: Mr.Makroum16-03-2015Plan de travailIntroduction gnrale et mise en situation.

La modulation dAmplitude.

La modulation de Frquence.

La modulation de Phase.

La modulation bande latrale unique (BLU).

Comparaison entre les diffrentes modulations analogiques

Introduction gnrale et mise en situation.Comme on le connait tous, les informations que lon transmet par hertziennes, sont gnralement des signaux BF. Ces signaux ne peuvent pas tre mis directement, car plusieurs problmes se posent, notamment:

Le problme dattnuation ou daffaiblissement .Le problme de brouillage des informations .Les dimensions dantennes de rception .

Pour remdier ce problme, lide de transmettre les informations par une onde de frquence leve est naturellement apparue.Plus prcisment on utilise ce quon appelle, la MODULATION.Cest quoi Moduler?La modulation consiste transformer un signal BF laide dun autre signal HF.Le signal basse frquence est le signal contenant linformation transmettre , on lappelle: Le Modulant.Le signal haute frquence est le signal qui transporte linformation, on lappelle: La porteuse.Le signal que lon reoit aprs la modulation sappelle: Le modul.Exemple Il est vident que tout les postes radio utilisent une plage de frquence sensible, pour nous faire entendre leur programmes.

Donc si tous les metteurs envoyaient directement leur frquences, nous naurions que du bruit la rception cause du problme de brouillage.

Donc pour viter ce problme, on attribut chaque frquence une porteuse diffrente, comme a au niveau de la rception , on capte le signal voulu, en choisissant sa porteuse.

Il suffit donc de dmoduler le signal pour avoir accs linformation dorigine.Principe de la modulation Comme on avait dit, la modulation consiste transmettre un signal connue (porteuse) par le signal transmettre (information).Donc la modulation analogique consiste modifier un ou plusieurs paramtre sur les 3 paramtres caractristiques dun signal sinusodal:

Amplitude: on parle donc dune modulation damplitude (AM).

Frquence: on parle donc dune amplitude de frquence (FM).

Phase: on parle dune modulation de phase (PM).

Synoptique dune chane de transmissionComment moduler?Pratiquement, pour effectuer la modulation, on utilise ce quon appelle un mlangeur.Le mlangeur est un circuit lectronique qui effectue la multiplication entre 2 signaux, plus prcisment, il effectue la multiplication entre le signal HF (Porteuse), et le signal BF (Signal dinformation).

La modulation d Amplitude Les problmes de transmission sans modulation il faudrait mettre toutes les frquences audibles entre 20Hz et 20KHz

il naurait donc quune bande radio et par consquent on aura quune seul station radio si non les ondes vont se mlangerait

il serait malais de fabriquer une antenne qui reoit ces frquences car les dimensions de lantenne dpende de la longueur donde et donc dpend de la frquence

lnergie des ondes lectromagntiques missent, sera faible puisque la frquence est petite ,car on a E=h.f avec h est une constante .

Mais avec la porteuse (module en amplitude)On reoit une bande de frquence trs troite pour une mission ce qui permet plusieurs radios dmettre en mme temps et au destinateur de choisir la rception de telle ou telle radio en calant son tuner sur la frquence de la station dsire.

La modulation AM

La porteuse (avant modulation) est un signal sinusodal de frquence fp relativement leve A pour expression Vp(t)=Ap.cos(wpt)

Supposant pour simplifier que le signal modulant soit priodique de frquence fm trs inferieure devant fp Vm(t)=Am.cos(wmt)

Le signal Vm(t) va tre amplifi dun facteur k lors de la modulation.

Le signal modul est alors obtenu en ajoutant le signal de la porteuse et le produit de celui-ci par le signal modulant et le facteur kLe signal de sortie a pour expression :Vs(t)=Vp(t)+k.Vp(t).Vm(t)Vs(t)=Vp(t).(1+k.Vm(t))Vs(t)=Ap.(1+k.Am.cos(wmt)).cos(wpt)

En posant h=k.AmAlors Vs(t)=Ap.(1+h.cos(wmt)).cos(wpt)h: sappelle lindice de modulation Premier cas : h1

Spectre de la modulation damplitude

Avec la bande = 40KHzEn pratique, le signal modulant balaye une certaine plage de frquences [20Hz,20KHz]. L'allure du spectre de frquences sera la suivante:

La dmodulation AMDmodulation dtecteur crte

Dmodulation synchrone

Le signal la sortie du multiplieur est le suivant:Les types de la modulation AMPour diminuer la consommation de lmetteur dans les quipements mobiles dautres types de modulations AM ont vu le jour.

La modulation AM en bande latrale double(AM-BLD) ou (AM-DSB)La porteuse module est obtenue en multipliant le signal modulant par la porteuse .

Ce signal se dmodule avec un dmodulateur synchrone

Lconomisation de lnergie dans ce type de modulation rside dans le cas dabsence de linformation, le signal mis est nul par contre dans la modulation classique la porteuse est mise en permanence ceci explique que AM-BLD est beaucoup plus conomique.

Modulation AM en bande latrale uniqueLe principe est dutiliser soit la bande latrale suprieur ou la bande latrale inferieure.La modulation de frquenceStructure dun systme de communication radio .

Principe de la modulation de frquence.

Excursion en frquence et indice de modulation.

Spectre dun signal modul en frquence.

Puissance dun signal modul en frquence.

Type de modulation FM.

Dmodulation FM.Structure dun systme de communication radio

Principe de la modulation de frquencePour produire un signal modul en frquence il faut:

Une porteuse sinusodal.

Une information basse-frquence s(t) qui peut tre un signal audiofrquence, vido, analogique ou numrique.

La frquence instantane de la porteuse module varie avec s(t) :

f(t)=f0+k.s(t)

Les principales caractristiques du signal FM sont :lamplitude de la porteuse reste constante.

si s(t)=0, la porteuse mise est sinusodale de frquence fo.

si s(t) 0, la frquence f2 de la porteuse est suprieure fo.

la variation de frquence par rapport fo sappelle la dviation.

Production dun signal modul en frquencePour mettre en modulation de frquence il faut produire un signal sinusodal damplitude constante E et de frquence f(t) variable.

ce signal est toujours produit par un oscillateur command en tension (Voltage Commanded Oscillator)

une polarisation continue Vo fixe le point de fonctionnement f(t) = fo.

en superposant le signal basse-frquence s(t), on fait varier la frquence : f(t) = fo + k.s(t).

la frquence dmission fo dpend de la tension continue Vo

pour que la variation de frquence soit proportionnelle s(t), le VCO doit avoir une caractristique linaire autour de fo.

la stabilit de la frquence dmission fo dpend de la stabilit de Vo et des drives thermiques du VCO.

lutilisation dun VCO stabilis par un quartz ou mieux encore dun synthtiseur permet de rsoudre ce problme de stabilit.Excursion de frquence et indice de Modulation

Si on admet que le signal modulant ne dpasse pas Smax en valeur absolue, alors :

la frquence de la porteuse varie entre: fmin=f0-k.Smax et fmax=f0+k.Smax

la quantit kSmax est appele excursion en frquence et est note ff=k.Smax

Plaons nous dans le cas particulier o le signal modulant s(t) est sinusodal de frquence F :

la frquence instantane scrit :

la phase se calcule comme suit :

et la porteuse module a pour expression :

On dfinit lindice de modulation par :

Exemples:

les missions FM dans la bande CB sont dites faible excursion : avec f = 1 kHz et F = 1 kHz, alors m =1

les missions de radio diffusion dans la bande FM sont excursion moyenne: avec f = 75 kHz et F = 10kHz, alors m=7

les satellites TV travaillent forte excursion dans la bande des 10 GHz : si f = 9 MHz et F= 1 MHz alors m=9Spectre dun signal modul en frquence.Le spectre dun signal FM est complexe et ne se calcule que dans le cas particulier o le signal basse-frquence est sinusodal.

La porteuse module scrit dans ce cas :

Elle peut, dans ce cas particulier, se dcomposer grce aux fonctions de Bessel :

O J0(m), J1(m), J2(m)... sont les fonctions de Bessel dont la valeur dpend de m.

Une porteuse fo module par un signal basse-frquence sinusodal de frquence Fa un spectre caractris par :

Une raie la frquence de la porteuse fo damplitude JoE.

Deux raies fo + F et fo -F damplitude J1E , deux raies fo + 2F et fo + 2F damplitude J2E

Le spectre est donc centr sur fo et symtrique et la bande occupe B se mesure sur le spectre.

Si m >4, B peut tre calcule par la formule de Car son qui donne une estimation de B 98% de la puissance totale.

37Les fonctions de BesselLes fonctions de Bessel sont donnes sous forme de courbes paramtres en m ou par un tableau donnant les valeurs des fonctions pour quelques valeurs particulires de m.

On module une porteuse par un signal basse-frquence sinusodal:

frquence de porteuse fo =1 MHz valeur efficace de la porteuse E = 0,25V frquence du signal modulant F= 20kHz indice de modulation m = 2,3 excursion en frquence f= mF= 46kHzFonctions de Bessel:

J0 = 0 J0E = 0J1=0,53 J1E = 132mV =-4,5dBmJ2=0,43 J2= 107mV= -6,4dBmJ3=0,2 J3= 50mV = -13dBmJ4=0,08 J4= 20mV = -21 dBm

On module une porteuse par un signal basse-frquence analogique:

frquence de porteuse fo =1 MHz amplitude de la porteuse E = 0,2V lexcursion en frquence dpend de lamplitude maximale du signal modulant la bande occupe par le signal varie dans le temps

Puissance dun signal modul en frquence

Le signal AM est appliqu lantenne qui se comporte vis--vis de lamplificateur de sortie comme une charge rsistive R :

le signal appliqu lantenne est constitu dune tension sinusodale de frquence variable :

la puissance dissipe dans une rsistance ne dpend pas de la frquence et vaut :

Les modulateurs FMLe VCO ci-dessous est bas sur un montage oscillateur Hartley utilisant un TEC double grille :la frquence est fixe par L1, C1 et la branche varicap+C2la tension de commande Vtuning fait varier la capacit de la varicap BB132et donc la frquence doscillationla valeur de C2 joue sur la plage de variation de frquence un 2me tage transistor sert dadaptateur dimpdance qui vite que la charge ne vienne perturber loscillateur.

Modulateur FM varicapPour stabiliser la frquence centrale fo du modulateur FM, on peut utiliser un oscillateur quartz command en tension :

loscillateur sappelle alors VCXO(Voltage Commanded Xtal Oscillator)

la variation de frquence se fait en utilisant une diode varicap

la varicap a une capacit de jonction C qui dpend de la tension inverse applique u(t)

Modulateur FM quartzPour la stabilit de fo, on peut aussi utiliser un modulateur Phase Lock Loop qui prsente des avantages par rapport au VCXO :

la structure permet un changement facile de la frquence centrale fo (changement de canal dmission)

lexcursion en frquence peut tre aussi grande quon le souhaite (le multiplicateur de frquence nest plus ncessaire)

Modulateur FM boucle verrouillage de phase

Le rcepteur FMLa slection de lmetteur recevoir est faite laide de la structure habituelle oscillateur local-mlangeur-filtre fi:

le signal recevoir de frquencef1est capt par lantenne avec dautres signaux (A)

tous ces signaux sont amplifis par un ampli RF faible bruit (B)

ils sont mlangs (D) au signal de frquence fo issu de loscillateur local (C)

si fo est bien choisie, le signal de frquence diffrence f1-fo tombe fi et traverse le filtre (E)le signal transportant linformation est maintenant isol et se trouve la frquence fi, il est amplifi(F)

ce signal FM est fortement crt par le limiteur qui supprime les parasites et donne en (G) une amplitude constante

le dmodulateur extrait linformation BF qui se trouve dans la frquence instantane (H)

le signal BF sera enfin amplifi et envoy sur le haut-parleur (I)en radiodiffusion FM, le standard est fi = 10,7 MHz o on dispose de filtres cramiques performants et peu coteux.

la bande passante de ltage fi va de 10 kHz pour les missions en bande troite ( CB ) 300 kHz pour la radiodiffusion.En sortie de lamplificateur fi, le limiteur ramne lamplitude du signal fi une valeur constante, linformation se trouvant dans la frquence instantane du signal.

Ltage limiteur

Les avantages apports par ce limiteur sont nombreux:

en crtant le signal fi on supprime une grande partie des parasites qui se sont introduits lors de la transmission.

tous les metteurs, faibles ou puissants, se retrouvent avec un niveau fi identique, donc un volume sonore comparable dans le haut-parleur.

certains dmodulateurs FM sont sensibles lamplitude du signal et dmodulent les variations damplitude comme les variations de frquence.

lintrt de cette opration est de supprimer une grande partie de parasites qui sont introduit pendant la transmission. Par consquent a donne une amlioration de qualit de signal obtenu . Le discriminateur quadrature( ou de phase ou concidence )est un type de dmodulateur FM trs utilis:

le signal FM dmoduler e(t) est trait par le filtre dphaseur R,L,C,Co pour produire le signal x(t).

un multiplieur analogique multiplie le signal dmoduler e(t) par le signal x(t).

un filtre passe-bas conserve la partie basse frquence du mlange.Structure du dmodulateur quadrature

le signal FM dmoduler est sinusodal damplitude E et scrit : e(t) = E cos( (t) ) = E cos( it +2k s(t).dt).

le signal filtr x(t) est sinusodal damplitude X et dphas par rapport e(t) : x(t) = X cos( (t) + (t) ).

le dphasage (t)dpend de la transmittance T(j)du filtre dphaseur et de la frquence instantane du signal e(t).Le signal FM peut aussi tre dmodul par un dmodulateur boucle verrouillage de phase:Dmodulateur FM PLL

lorsque la boucle fonctionne, le VCO se synchronise sur le signal inject lentre

le VCO fournit donc sa sortie un signal de frquence gale celle du signal dentre f(t) = f(t) = fi + k s(t).

si la frquence f(t) varie, cest que la tension v(t) lentre du VCO varie.

en supposant que le VCO est linaire et caractris par sa pente Ko, on a : f(t) = Ko.v(t).La modulation de PhasePrincipe de modulation de Phase

Pulsation de londe module

Indice de modulation

Excursion de Phase

Modulation de Phase

Lamodulation de phaseouMPouPMest unmode de modulationconsistant transmettre unsignalpar la modulation de la phase d'un signal porteur (porteuse).Principe de modulation de PhaseSoit un signal s(t) = A cos( ).

Avec = (2f0t + j (t)). En modulation de phase (PM : Phase Modulation),le dphasage j (t) est proportionnel au signal modulant:

j(t) = kpm(t)

Le signal PM a donc pour expression : s(t) = A cos(2f0t + kpm(t))

Pulsation de londe module la pulsation est reprsente la vitesse angulaire.Elle est donc lie la phase par :

Alors on trouve : w(t) = w0 + kp dm(t)/dt

Dans le cas sinusodal: m(t) = Am cos wm t s(t) = A cos [w0 t + kp Am cos wm t]

Indice de modulation Cest le facteur multiplicative de cos wm t soit: b = kp Am

Lexpression de londe module PM pour un signal modulant sinusodal est s(t) = A cos [w0 t + b cos wm t]Excursion de Phase La phase j(t) = w0 t + b cos wm t avec b = kp Am

w0 tw0 t - b b b w0 t + b d = b = kp AmLa modulation bande latrale unique (BLU)La B.L.U. est elle une MODULATION ?

On associe couramment la BLU une modulation d'amplitude (modulation d'amplitude bande latrale unique) avec suppression de la porteuse". Cette dfinition se rapporte un procd pour gnrer de la BLU en filtrant un signal modul en amplitude.

La Modulation damplitude bande latrale unique (BLU) exploite plus efficacement le spectre et la frquences. On ne conserve que: la bande latrale haute (BLS) ou la bande latrale basse (BLI).

Rception de la BLUAvant d'examiner la rception BLU, un petit rappel sur la rception de l'AM et de la FM.

Pour l'AM, il suffit de redresser le signal HF puis de le moyenner avec un filtre passe-bas dont la frquence de coupure est un peu au dessus de la bande de modulation.

Pour la FM, il suffit d'crter le signal HF pour lui ter toute variation d'amplitude, puis de le faire passer travers un circuit oscillant (passif) dont la frquence d'accord est dcale. On transforme ainsi la modulation de frquence en modulation d'amplitude et on dmodule le signal rsultant avec un dmodulateur AM.Gnration partir d'une modulation AMPour rcuprer le signal modulant d'un signal HF BLU, il faut obligatoirement utiliser un changement de frquence pour transposer la bande HF rfrence la frquence Fo, en bande de base rfrence la frquence zro, et ceci, l'aide d'un oscillateur local la frquence Fo.

C'est le schma inverse du mme procd utilis l'mission. Il est universellement employ.Le filtre BF n'a qu'un rle d'limination des rsidus HF et peut tre trs simplifi.

Nous rencontrons alors le problme de la rception de la frquence image. Avec la BLU, la frquence image correspond la bande latrale complmentaire qui se situe dans le canal adjacent. Il est donc ncessaire d'insrer un filtre avant le mlangeur pour ne recevoir que le canal souhait. C'est le filtre BLU.Rception BLU avec un changement de frquence

C'est le schma inverse de celui d'mission. F0 est au milieu de la bande BLU. Il n'y a pas de frquence image en dehors du canal. Gnralement, la partie "Phasing" est ralise en analogique et la partie "Weaver" en numrique.

Les deux filtres demi bande (passe-bas BF) constituent les deux moitis du filtre de canal. L'inversion BLU se fait en inversant les sorties sinus et cosinus de l'OL2 (comme cela, on ne touche pas au dphaseur).

La difficult rside dans l'limination de la composante continue la sortie du "phasing" qui gnre une tonalit permanente la frquence OL2.

Le systme est quasi parfait quand la partie "phasing" est aussi faite en numrique en numrisant sur FI basse (quelques dizaines de kHz). On reporte alors le problme de la frquence image sur cette F-I.

La perfection totale ne s'obtient qu'avec un rcepteur numris la frquence antenne. Alors la partie "phasing" est ralise entirement avec un composant numrique appel "DDC" (Digital Down Converter).Modulation damplitude bande latrale unique (BLU)

signal sinusodal modul BLU

Signal quelconque modul BLU

Spectre du signal modul BLULe spectre du signal modul bande latrale unique est:

NB: La modulation a pour but:

transmette avec une qualit apprciable un signal analogique.

Une telle modulation devra sadapter au canal de transmission.

Le choix du type de modulation dpend de lapplication et du canal utilis.

La transmission en BLU permet la fois de rduire la largeur du canal et de mieux exploiter la puissance de transmission par suppression ou attnuation du porteuse.

Comparaison entre les diffrentes modulations analogiquesLe signal est rarement adapt la transmission directe par le canal de communication choisi, hertzien, filaire, ou optique. Do vient lintrt du modulation qui apparue ncessaire pour transmettre une information dun point un autre (point point), ou dun point vers un ensemble de sites distants (multipoints) en adaptant le signal au moyen de transport utilis, on distingue 2 types de modulation:

Modulation analogique: qui sert assurer la qualit suffisante de transmission d'une information analogique (voix, musique, image) dans les limites du canal utilis et de l'application.

Modulation numrique: qui est identique la modulation analogique dans le sens ou la porteuse reste analogique.Comparaison entre les diffrentes modulations analogiquesEn gnrales Un signal sinusodal est dfini par trois caractristiques : - son amplitude A- sa frquence f - sa phase

Le signal sinusodal scrit de la manire suivante : - en temporel : v(t) = A sin(2 f(t) + )

En rgle gnrale, on ne modifie quun paramtre sur les trois. Do viennent les trois types de modulations qui sont : - (AM) - (PM) - (FM).Le dispositif qui effectue cette modulation, en gnral lectronique, est un modulateur. L'opration inverse permettant d'extraire le signal de la porteuse est la dmodulation. ExemplePar exemple, pour faire communiquer deux utilisateurs de courriels par une ligne tlphonique, des logiciels, un ordinateur, des protocoles, un modulateur et un dmodulateur sont ncessaires. La ligne tlphonique est le canal de transmission, sa bande passante est rduite, il est affect d'attnuation et de distorsionsLa modulation damplitude repose sur la variation de lamplitude de la Porteuse en fonction de linformation transmettre.

La modulation de phase et de frquence, lamplitude est fixe, linformation est porte par la variation de la phase ou de la frquence.

A savoir que la modulation en frquence est lie lamplitude du signal modulant. Lindice de modulation joue un rle essentiel et il est important de noter, que contrairement la modulation AM, lindice de modulation FM dpend de lamplitude et de la frquence du signal modulant. Pour la modulation damplitude:Cest la premire modulation employe en Tlcommunication, parmi ses avantages:

Elle est simple mettre en uvre,

Sa dmodulation qui ne demande qu'une diode, des condensateurs

Moins coteuse (car de complexit moindre) que les modulations angulaires.

Pour les inconvnients:

Elle trs sensible aux parasites.

Elle utilise une bande de transmission gale deux fois la bande passante du message, ce qui constitue un gaspillage de bande passante.

le signal devient forcement extrmement bruite sur des longues distances cause de laffaiblissent et des amplifications ncessaire pour le compenser.

NB: La modulation damplitude est la seule utilisable sur fibre optique, car les quipements utiliss actuellement ne sont pas en mesure dappliquer une autre modulation sur les ondes lumineuses. Dans ce cas, la modulation seffectue par tout ou rien. Par contre, elle est peu employe sur dautres supports, car elle provoque une dtrioration du rapport signal sur bruit.Pour la modulation de frquenceSon inconvnient, cest quelle occupe une place bien plus importante. 250 khz pour la FM contre 9 kHz pour l'am.L o on peut loger un canal FM (250 kHz) on peut loger 250/9=28 canaux AM.

Elle est peu sensible aux perturbations lectromagntiques, car ces dernires provoquent des variations d'amplitude du signal mais pas de sa frquence. Le signal dmodul est donc identique celui de la source.

le spectre est plus complexe qu'en modulation d'amplitude

le spectre est symtrique par-rapport la frquence de la porteuse.

la largeur du spectre augmente lorsque le taux de modulation augmente

Elle est utilise pour des transmissions faible dbit sur le rseau tlphonique commut.

Pour la modulation de PhaseCe type de modulation occupe moins de place quun signal modul en frquence, car il ny a pas dexcursion de frquence, mais uniquement un changement de phase de la porteuse.

Trs largement en rendement, pour une puissance lectrique consomme, nous aurons une nergie plus importante dans la partie signifiante du signal.

En largeur de canal aussi puisqu'il n'y passe plus qu'une bande infrieure ce qu'il tait ncessaire avant d'adopter cette technique.

La modulation de phase associe un code binaire une valeur de la phase de la porteuse. La vitesse peut tre facilement augmente en utilisant un code binaire sur 2, 3 bits ou plus sans augmentation de la frquence de la porteuse.

Pour conclure, choisir une modulation est un compromis entre raison conomique et choix techniques.