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Dernière mise à jour : 13/11/2011Présentation
Vouloir transmettre d'un point à un autre les paroles d'une voix humaine ou des données numériques est un sujet fort intéressant, que je ne développe pas beaucoup sur mon site car je n'ai tout simplement pas une grande expérience dans ce domaine. Je vais toutefois essayer de causer en termes simples du peu que je sais, appris au fil de mes maigres expériences et de mes nombreuses lectures. Voir aussi page Modules Tx-Rx.Rappels sur différents modes de transports
Il n'est sans doute pas inutile de rappeler les bases de fonctionnement des principaux modes de transmission d'une information analogique ou numérique. En voici les grandes lignes, nulle doute que les plus accros trouveront des détails plus poussés (et plus mathématiques) sur la toile.Porteuse HF
On entend parfois parler de "porteuse" (carrier en anglais) ou "porteuse HF" sans trop savoir de quoi il s'agit. Une porteuse est simplement un signal qui sert de support pour transporter le signal utile (celui qu'on veut transmettre tel que voix, musique, données analogiques ou numériques). Quand on reste dans le domaine des transmissions analogiques, la porteuse est un simple et unique signal sinusoïdal. Dans le domaine de la diffusion numérique (TNT et RNT par exemple) on dispose d'une multitude de porteuses qui se partagent les informations à transmettre. Nous ne parlerons pas ici du cas de ces multi-porteuses. La particularité d'une porteuse est d'osciller à une fréquence bien plus élevée que la fréquence maximale du signal à transmettre. Supposons que l'on veuille transmettre un discours parlé ou chanté sur 10 km à la ronde (ou à la noire si l'orateur parle vite). On peut certes envisager l'emploi d'un très gros amplificateur associé à plein de haut-parleurs, mais ça fait tout de même désordre et après le discours il faut tout ranger. Au lieu de ça, mieux vaut utiliser un émetteur unique qui "émet des ondes" que plusieurs récepteurs peuvent capter simultanément. Mais la physique ne s'invente pas. Si on veut transmettre la voix de l'orateur en se contentant de raccorder en sortie d'amplificateur BF une boucle filaire ou une immense antenne, ça fonctionnera mais pas très loin (compter quelques mètres voire dizaines de mètres, on en cause à la page boucle magnétique 001). Non, on ne peut pas faire comme ça. Pour que la transmission puisse se faire sur une distance confortable, il faut utiliser une onde porteuse qui sert d'intermédiaire et qui elle a moins de mal à franchir les distances. Le choix de la fréquence de cette onde porteuse dépend :- du type d'information à transmettre (voix radio info ou télé numérique HD),
- des performances attendues;
- de la distance que l'on veut parcourir,
- du relief du terrain entre émetteur et récepteur (à partir de 50 MHz, les ondes se ropagent de plus en plus en ligne droite et craignent les obstacles),
- du prix que l'on accèpte de payer à son fournisseur d'électricité ou à son revendeur de piles,
- des autorisations que les autorités compétentes veulent bien nous accorder.
Car vous imaginez bien le carnage des ondes qui s'entrechoquent si personne ne venait mettre un peu d'ordre là-dedans ! Tout cela est très réglementé, et des plages de fréquences ont été réservées pour tel ou tel type de transmission (CB, radiodiffusion, télévision, téléphones portables, radars, etc). En plus de ces réservations de plage de fréquences, des caractéristiques techniques assez sévères sont demandées aux circuits émetteurs pour limiter au maximum les risques de brouillages avec d'autres équipements qui ne fonctionnent pas forcement dans les mêmes plages de fréquence. Deux circuits émetteurs voisins qui travaillent à des fréquences très élevées et proches l'une de l'autre peuvent très bien brouiller un récepteur travaillant dans une plage de fréquence bien plus faible. Surtout vrai si les appareils sont faits maison et qu'ils sont insuffisement filtrés en sortie HF. Bref, avant de s'aventurer dans le domaine de l'émission, mieux vaut avoir quelques connaissances sur les risques de brouillages encourus. Ce n'est pas compliqué à comprendre mais il faut le savoir.
Transmission en modulation d'amplitude (AM)
Dans ce mode de transport, on donne à une porteuse HF un taux de modulation qui est directement proportionnel à la valeur analogique instantanée à transmettre. Taux de modulation, valeur instantanée... super, ça continue. Pourtant là encore point de sorcelerie, c'est très simple à comprendre. La valeur instantanée du taux de modulation exprime simplement l'ampleur électrique qu'on donne à la fréquence porteuse à un instant donné. Ampleur (ou amplitude) électrique avant envoi dans l'antenne ou ampleur électromagnétique une fois sortie de l'antenne, les deux étant liés. Pour faire simple, l'amplitude de la porteuse HF est d'autant plus élevée que l'est celle du signal modulant. Si vous disposez par exemple d'un émetteur radio AM avec un microphone comme source sonore, la porteuse HF est d'autant plus "volumineuse" que votre voix est forte. Si vous parlez doucement, la porteuse HF est faiblement modulée, c'est à dire que les variations de son amplitude sont faibles. Si au contraire vous criez, les variations d'amplitude sont fortes. Le "suivi de l'amplitude" de la source modulante est la clé de la transmission en modulation d'amplitude : ce sont ces variations d'amplitude de la porteuse HF que le récepteur va extraire pour restituer la source de modulation originale (votre voix par exemple). Deux points sont à respecter pour la transmission en modulation d'amplitude d'une source sonore :1 - un signal sonore est constitué d'alternances positives et d'alternances négatives, on doit laisser "autant de place" aux deux.
2 - la fréquence maximale du signal sonore source ne doit pas être proche de la fréquence de la porteuse, sinon le récepteur ne pourra pas bien faire son travail de reconstitution de la source sonore;
1 - Modulation avec alternances positives et négatives
On pourrait penser que le plus simple est de ne pas transmettre la porteuse en absence de source de modulation, et de la transmettre avec son amplitude maximale quand la source sonore atteint son amplitude maximale. Mais le récepteur risque d'être déçu s'il ne reçoit rien du tout lors des périodes de silence. Si tel était le cas, comment faire pour caler correctement le récepteur si on tombait à un moment où aucun signal ne devait être transmis ? Il est plus judicieux de penser un peu différement et de s'assurer qu'il y a transmission permanente de la porteuse HF, quelque soit l'amplitude du signal source modulant. Et pour cela rien de plus simple : on donne à la porteuse HF une amplitude moitié de son maximum possible quand la source modulante se fait silencieuse (taux de modulation de 0%) et on passe au maximum de modulation pour les crêtes négatives et positives du signal modulant (taux de modulation proche de 100%). Notez bien que les crêtes négatives conduisent à une amplitude minimale de la porteuse, alors que les crêtes positives conduisent à l'amplitude maximale de cette même porteuse. Le but de l'opération est de toujours rester avec un taux de modulation compris entre 0% et 100%. Dans la pratique on définit le maximum à une valeur comprise entre 95% et 100% car il faut à tout prix éviter d'aller au-delà de 100% (sinon la porteuse disparait complètement). Les graphes qui suivent montrent un signal sinusoïdal de fréquence fixe 10 kHz (c'est la porteuse) modulé par un signal sinusoïdal de fréquence fixe 1 kHz, et ce pour trois valeurs de taux de modulation différentes. La courbe jaune représente le signal modulant (que l'on veut transmettre) oscillant à 1 kHz, la courbe bleue représente la porteuse 10 kHz modulée à la moitié de sa capacité maximale (taux de modulation de 50%), la courbe violette représente la porteuse 10 kHz non modulée (taux de modulation de 0%) et la courbe verte représente la porteuse 10 kHz modulée à son maximum (taux de modulation de 100%).Remarque : le choix d'une fréquence porteuse aussi faible que 10 kHz n'est justifiée que pour des besoins de compréhension plus "visuels". Dans la pratique cette valeur n'est guère utilisée.
Ce type de représentation très "propre et régulière" fait très scolaire et c'est normal car on travaille rarement avec des fréquences fixes lors d'une transmission radio. Les graphes suivants sont plus représentatifs de choses qu'on peut trouver dans la réalité : le signal modulant (courbe jaune) n'est plus un signal de fréquence fixe 1 kHz mais un extrait de voix humaine parlée volontairement filtré avec un filtre passe-bas coupant à 1 kHz (on aurait aussi bien pu ne pas filtrer ce signal source et adopter une fréquence de 100 kHz pour la porteuse).
Regardez comme la forme (on dit aussi enveloppe) de l'onde porteuse 10 kHz (courbe verte) ressemble au signal modulant (courbe jaune). C'est aussi vrai pour la courbe bleue, mais comme pour cette dernière la porteuse n'est pas modulée à son maximum, la ressemblance est moins évidente. A noter aussi la symétrie de l'enveloppe de la porteuse par rapport à la valeur zéro, qui pourrait laisser penser à juste titre qu'au moment de la réception on pourrait avoir le choix entre signal source avec phase d'origine ou phase inversée...
2 - Fréquence porteuse et fréquence signal modulant
Le récepteur met en oeuvre un principe simple qui consiste à suivre les variations d'amplitude de la porteuse HF reçue par l'antenne. Pour rappel, ces variations sont le reflet presque exact de la source sonore qui module la porteuse HF (qui fait varier l'amplitude de la porteuse). Il ne faut pas plus que trois composants électroniques pour assurer le travail, mais ce dernier n'est correctement effectué que si la fréquence du signal de la source modulante ne s'approche pas de trop près de la fréquence de la porteuse HF elle-même. On considère qu'un rapport de 10 entre les deux est un minimum, ce qui conduit à dire que si on veux transmettre un signal dont la fréquence maximale est de 15 kHz, la fréquence de la porteuse devrait être d'au moins 150 kHz. En pratique on peut choisir des rapports différents en fonction des résultats désirés (surtout des rapports plus élevés), mais cela donne déjà un ordre de grandeur. Si maintenant on reprend les graphes précédents mais que la porteuse oscille à 1 kHz au lieu de 10 kHz, voici ce qu'on obtiendrait.
Le problème est parfaitement visible : l'enveloppe de la porteuse ne ressemble plus du tout au signal source modulant. Ce qui est très gênant car il devient alors absolument impossible de restituer le signal source à la réception. Il est vraiment primordial que la fréquence maximale du signal à transmettre reste très inférieure à la fréquence de la porteuse. On peut faire un peu l'analogie de ce problème avec celui rencontré avec les convertisseurs analogique / numérique, dont la fréquence d'échantillonnage doit avoir une valeur au moins deux fois plus élevée que la fréquence maximale du signal à échantillonner (théorème de Shannon / Nyquist).
Côté récepteur
La récupération du signal source modulant se fait assez aisement, à la condition énoncée ci-avant. On récupère les variations d'amplitude de l'onde porteuse (pour rappel c'est ce qu'on appelle l'enveloppe) et on se débarasse du signal haute-fréquence. Finalement la porteuse n'est que le support de transmission, on n'en a plus besoin une fois notre signal utile récupéré. Comment faire pour récupérer l'enveloppe de la porteuse sans garder la porteuse elle-même ? Avec un simple redresseur à diode et condensateur qui fait aussi office de filtre passe-bas et dont les composants (diode, condensateur et résistance) sont calculés pour laisser passer juste ce qu'il faut, à savoir les signaux de fréquence les plus basses. Cette façon de faire est vraiment simple, économique et donne des résultats satisfaisants. Si vous avez déjà écouté une émission de radio diffusée sur les grandes ondes (RTL, RMC, Europe 1 ou France Culture), vous avez sans doute noté ce manque d'aigus si caractéristique. Mais avouez tout de même qu'en termes généraux (distorsion, souffle, bande passante), on peut écouter de la parole et de la musique sans trouver ça désagréable. Bon d'accord, la dynamique n'est pas si terrible que ça, cela est du à un fort taux de compression de dynamique opéré juste avant la diffusion. Mais si vous cherchez dans les vieux schémas électroniques, vous risquez d'être surpris par la simplicité de mise en oeuvre d'un récepteur GO ou PO (le modèle le plus simple ne comporte qu'une poignée de composants et ne nécessite pas d'alimentation. Mais il faut le relier à une prise de terre et à une antenne de plusieurs mètres. A moins bien sûr d'habiter juste à côté d'un centre d'émission GO, auquel cas l'expérimentation vaut vraiment le coup d'être menée.Transmission en modulation de fréquence (FM)
Dans ce mode de transport, on dispose d'une porteuse dont l'amplitude reste constante quelque soit l'amplitude du signal modulant. Au lieu de modifier l'amplitude de la porteuse, on modifie sa fréquence instantanée. En absence de modulation (amplitude du signal modulant égale à zéro), la fréquence de la porteuse reste à une valeur parfaitement définie et stable, que l'on appelle fréquence centrale. La valeur du décallage de la fréquence de la porteuse dépend de l'amplitude du signal modulant : plus l'amplitude du signal modulant est grande et plus la fréquence de la porteuse s'éloigne de sa valeur d'origine. Le sens du décallage de la fréquence dépend de la polarité de l'alternance du signal modulant. Pour une alternance positive la fréquence de la porteuse est augmentée, et pour une alternance négative la fréquence de la porteuse est diminuée. Mais ce choix est arbitraire, on pourrait très bien faire l'inverse ! La quantité de variation de la fréquence porteuse est appelée excursion de fréquence. L'excursion maximale de fréquence peut prendre différentes valeurs, par exemple +/-5 kHz pour une fréquence porteuse de 27 MHz ou +/-75 kHz pour une fréquence porteuse de 100 MHz. Les graphes suivant montrent un signal modulant de fréquence fixe 1 kHz modulant une porteuse de 40 kHz (l'échelle horizontale est bien dilatée pour mieux voir ce qui se passe sur l'ensemble des variations).
Si comme on l'a fait pour la modulation d'amplitude on remplace le signal modulant fixe de 1 kHz par un signal audio réel, voici ce que cela donne.
Ce deuxième ensemble de courbes est assez parlant, en tout cas pour la courbe verte pour laquelle l'excursion maximale de fréquence est bien nette car "bien réglée". Si on fait la correspondance entre signal modulant (courbe jaune) et porteuse modulée (courbe verte), on voit parfaitement que les variations d'amplitude de la porteuse sont plus lentes - ce qui correspond bien à une fréquence plus faible - quand le signal modulant est à sa valeur la plus basse (crête négative). A l'opposé, la fréquence maximale de la porteuse est obtenue pour les crêtes positives du signal modulant (un peu moins facile à voir sur les courbes, mais on le sent avec les parties les plus "remplies"). En même temps, l'amplitude maximale de la porteuse reste parfaitement constante, on n'a pas de modulation d'amplitude liée au signal source modulant.
Côté récepteur
Un récepteur FM est moins simple à construire qu'un récépteur AM. Voilà qui est dit. Et vous me croyez ? Vous savez pourtant qu'il ne faut pas croire tout ce qu'on vous dit ! C'est vrai et faux à la fois. Pour faire un récepteur FM, on peut s'en sortir avec quelques transistors ou avec un seul et unique circuit intégré (un TDA7000 par exemple). Mais dans ce cas on obtient une qualité d'écoute standard. Pour une écoute "haut de gamme", il faut mettre le paquet et bien connaitre le sujet (ce qui n'est pas mon cas). Et c'est encore plus vrai quand il s'agit de décoder un signal audio stéréo. Et oui, sans décodeur stéréo, on dispose d'un signal mono où les voies gauche et droite sont mélangées (si la diffusion du programme radio est assurée en stéréo bien sûr). D'un point de vue haute fréquence, le signal source ne se voit pas dans l'amplitude de la porteuse et on ne peut pas se contenter d'un redresseur / filtre comme celui employé dans un récepteur AM. Le signal utile étant "caché" dans les variations de fréquence de la porteuse, il faut trouver un moyen de transformer ces variations de fréquence en variations de tension, procédé inverse (miroir) de celui utilisé à l'émission. Le système qui assure cette fonction s'appelle un discriminateur FM et à la base se compose d'un circuit oscillant (et résonnant) dont la réponse fréquence / amplitude à la forme d'une "cloche". Pour la fonction de discrimination, on peut utiliser des composants discrets (petits transfos, diodes et condensateurs) ou un circuit intégré spécialisé (SO41P par exemple). Ce qui laisse à chacun le loisir d'opérer selon ses plus intimes convictions...Transmission en FSK
Ce type de transmission s'apparente à de la modulation de fréquence. Sauf qu'au lieu de travailler avec une infinité de valeurs possibles entre deux valeurs extrêmes, on ne travaille qu'avec deux valeurs de fréquence. Ce qui convient bien pour transmettre des données numériques mais qui ne convient guère pour envoyer une information de type analogique (sauf si bien sûr on la numérise au préalable). Ce type de modulation est utilisé par les modems en mode "analogique simple", ces bons vieux modems RTC qui atteignaient parfois avec peine des débits de quelques kbps. C'est aussi ce type de modulation qui est utilisé pour la transmission des données d'identification d'appelant qui moyennant abonnement auprès de l'opérateur de téléphonie, permet d'afficher sur son téléphone le numéro et le nom de l'appelant au moment de la première sonnerie (et si on arrive à exploiter ces infos, on peut même essayer de se fabriquer un bloqueur de sonnerie pour les appels privés, tentative).
La courbe jaune représente le signal modulant qui ici est une simple horloge de fréquence fixe mais qui dans la pratique est constitué des données numériques à transmettre. La courbe bleue représente le signal modulé en fréquence, on voit nettement qu'il ne peut prendre que deux valeurs possibles : une première valeur quand l'état logique du signal modulant est à 0, et une seconde valeur quand l'état logique du signal modulant est à 1. L'amplitude de la porteuse reste constante quel que soit l'état logique de l'information à transmettre.
Remarque : cet écran montre une fréquence porteuse dont la valeur absolue est supérieure quand l'état logique du signal modulant est à 1, mais l'inverse est aussi possible.