GEF 411A Théorie de Communication. Modulation. Partie I

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1 ELG 4571 Systèmes de télécommunications GEF 411A Théorie de Communication GELE 4521 Télécommunications Modulation Partie I J.-Y. Chouinard/M. Hefnawi/Y. Bouslimani ELG-4571 Systèmes de télécommunications/gef 411A Théorie de Communication/GELE4521 Télécommunications Yassine Bouslimani Téléphone : Courriel : bousliy@umoncton.ca

2 Références : Chapitres 4 & 5: Digital and Analog Communication Systems, Leon Couch II, (6ème édition), Prentice-Hall, Introduction aux systèmes de télécommunications (ELG 3570), Dr. Jean-Yves Chouinard, Université d Ottawa, Chapitres 5, 6 & 10: Introduction to Communication Systems, Ferrel G. Stremler, (3ème édition), Addison-Wesley, Chapitres 4, 5, 6, 10, 11, 12 &13: Electronic Communication Systems, William Schweber, (4ème édition), Prentice-Hall, Fiches techniques des composants AD534, MC1496, SA601/602 et U279.

3 Sommaire : Introduction Modulations analogiques : Modulation d amplitude : DSB(AM&SC), SSB, VSB et QAM. Modulation d angle : Modulation de fréquence (FM) Modulation de phase (PM) Modulations numériques : Modulation par déplacement d amplitude (ASK), Modulation par déplacement de phase (PSK), Modulation par déplacement de fréquence (FSK).

4 Introduction La possibilité de transmettre un message a toujours été d'une importance essentielle. L'idée n'est pas récente : nuages de fumés (autochtones), feux de bois (Grecs-Perses), torches enflammées (Romains), etc. Un grand pas a été effectué durant les deux derniers siècles avec le développement des systèmes de transmission sur câbles, sur ondes hertziennes et satellites et sur fibres optique. Dans Dans cette cette partie partie du du cours, cours, on on va va s intéresser s intéresser ààla la Modulation Modulation :: qui qui consiste consiste ààadapter adapter la la représentation représentation d'une d'une information information ààun un support support de de transmission. transmission. Dans Dans d autres d autres termes, termes, elle elle consiste consiste àà transformer transformer un un signal signal afin afin de de lui lui permettre permettre d être d être transmis transmis dans dans un un canal. canal. ELG-4571 Systèmes de télécommunications/gef 411A Théorie de Communication/GELE4521 Télécommunications Plan

5 Histoire : En 1837, Samuel Morse met au point le télégraphe électrique. En 1844, Il effectue une transmission entre Washington et Baltimore. En 1864, James Clerck Maxwell formule la théorie électromagnétique et prédit l existence des ondes radio dont l existence est prouvée expérimentalement par Heinrich Hertz en En 1875, Alexander Graham Bell invente le téléphone. En 1894, Olivier James établie une communication sans-fil sur une distance de 140 mètres. En 1901, Guglielmo Marconi effectue la première transmission transatlantique. En 1904, John Ambrose Fleming invente le tube-diode, et en 1906, Lee de Forest conçoit la triode, élément de base dans les amplificateurs jusque l invention du transistor. En 1918, Edwin H. Armstrong invente le circuit récepteur superhétérodyne. En 1928, Harry Nyquist publie un article sur la transmission des signaux en télégraphie. En particulier, il publie les critères à observer pour une réception correcte de signaux télégraphiques transmis sur des canaux dispersifs en l absence de bruit. En 1933 Edwin H. Armstrong proposa un autre concept révolutionnaire : la FM (modulation de fréquence). En 1939, la BBC (British Broadcasting Corporation) diffuse de la télévision commerciale. En 1948, la théorie mathématique des communications est établie par Claude Shannon. En 1948, le transistor est inventé par Brattain, Bardeen et Shockley des laboratoires Bell. En 1958, la mise au point du premier circuit intégré par Robert Noyce. En 1971, un projet ARPANET (renommé Internet en 1985), utilise le concept de commutation de paquets. En 1971, Intel développe le En 1982, une autre contribution historique est due à G.Ungerboeck qui introduit les modulations codées. En 1990, l interface logicielle hypermédia proposée par Berners-Lee, et appelée World WideWeb. ELG-4571 Systèmes de télécommunications/gef 411A Théorie de Communication/GELE4521 Télécommunications Plan

6 Bandes de fréquences La répartition est régie par deux facteurs importants : Contraintes physiques : caractéristiques du Milieu de transmission et débit d information. Réglementation. Optique : ELG-4571 Systèmes de télécommunications/ GEF 411A Théorie de Communication/ GELE4521 Télécommunications Plan

7 Introduction : Porteuse Canal de communication Au niveau duquel la transmission d information se fait. Il y a deux types de canaux : les canaux où la propagation est guidée (câbles coaxiaux, fibres optiques) les canaux où la propagation est libre (l air, l eau).

8 Modulations analogiques : La modulation consiste à modifier les caractéristiques (Amplitude, Phase ou Fréquence) d un signal modulé «Porteuse» produit par un oscillateur sinusoïdal au rythme d un d un signal modulant «Message» produit par une source d information. c( = A c cos ( 2π + θ ) 1 Modifier l amplitude : Modulation d amplitude (AM :Amplitude Modulation ). 2 Modifier la fréquence : Modulation de fréquence (FM : Frequency Modulation ) 3 Modifier la phase : Modulation de phase (PM : Phase Modulation) qui n est pas beaucoup différente d une FM. Transmission en Bande de Base (Baseband) : consiste à transmettre directement le signal d'information.

9 La porteuse est un signal oscillatoire qui peut être exprimé par : c( = A c cos (2π Faire varier l amplitude au rythme d un du signal modulant La modulation d amplitude d un signal m( peut se faire de plusieurs façons : Approche simple : elle n est pas la plus simple à réaliser. m( s( = m(.c( c( BLI M(f) BLS Le signal modulé : s( = A c m(. cos (2π S(f) En appliquant la transformée de Fourier, le spectre du signal modulé est donné par : S(f) = (A c /2). [ M( f + ) + M( f - ) ] -

10 DSB-SC Dans ce cas la modulation est dite à Bande latérale double avec suppression de porteuse : DSB-SC Double-Sideband Suppressed Carrier Le Le produit produit de de deux deux signaux signaux de de fréquences fréquences différentes différentes (HF (HF et et BF) BF) se se traduit traduit par par un un signal signal modulé modulé à à deux deux bandes bandes latérales latérales (bande (bande latérale latérale double) double) sur sur lesquelles lesquelles l'énergie l'énergie se se répartie. répartie. Pour un signal m( sinusoïdal : Le signal modulé : m( =A m cos(2πf m m( =A m cos(2πf m s( = A c A m. cos(2πf m cos(2π = ½(A c A m ).[cos(2π ( + f m ) + cos(2π( - f m ) ] s( S(f) c( = A c cos(2π -f m + f m

11 Techniques de modulation DSB-LC : (AM) Modulation à à Bande Bande latérale latérale double double avec avec porteuse (Double-Sideband large-carrier). signal Modulé : s( = A c [ 1+ k m( ] cos (2π = c( + A c k m(. cos (2π En appliquant la transformée de Fourier : S(f) = ½ A c.k [ M( f + ) + M( f - ) ] + ½A c [ δ( f + ) + δ( f - ) ] Enveloppe k : c est le taux de modulation S(f) BLI BLS -

12 DSB-LC : (AM) Surmodulation : Le Le taux taux de de modulation est est trop trop important au au point point point point que que l'enveloppe du du signal signal modulé modulé ne ne permet permet pas pas de de reproduire le le signal signal modulant. s( = A c [ 1+ k m( ] cos (2π On définit l indice (ou le pourcentage) de modulation par : A max A min 2A c

13 Techniques de modulation La AM est assez simple à produire et à détecter mais il y a un dédoublement (d'énergie) dans les bandes latérales. En plus la porteuse peut être présente et donc le rendement énergétique n est pas optimal. SSB : Modulation à Bande latérale unique BLU (Single-Sideband) Modulation à Bande latérale unique BLU (Single-Sideband) Transmettre une seule bande latérale qui contiendra tout l énergie. Ne pas transmettre la porteuse (sans bu. Ne pas transmettre un signal quand m(=0. Exp. pour l audio, dans les pauses de la parole. Le gain est 10 fois plus grand à la réception (un émetteur de 100W en AM aura la même efficacité qu'un émetteur de 10W en SSB) La mise en oeuvre est plus complexe tant qu à l'émission qu'à la réception.

14 Techniques de modulation SSB : Modulation à Bande latérale unique BLU (Single-Sideband) Cas d une AM : Le signal modulé par m( = A m cos(2πf m ) s DSB ( = A m cos(2πf m. A c cos(2π = ½(A c A m ).[ cos(2π ( + f m ) + cos(2π( - f m ) ] -f m + f m U-SSB s SSB ( = ½(A c A m ) cos(2π( + f m ) s SSB ( = ½ A m cos(2πf m.a c cos(2π -½ A m sin(2πf m.a c sin(2π s SSB ( = ½ A m cos(2πf m. A c cos(2π - ½ A m sin(2πf m. A c sin(2π m( c( L-SSB s SSB ( = ½(A c A m ) cos(2π( - f m ) s SSB ( = ½ A m cos(2πf m.a c cos(2π + ½ A m sin(2πf m.a c sin(2π s SSB ( = ½ A m cos(2πf m. A c cos(2π + ½ A m sin(2πf m. A c sin(2π

15 Modulation à Bande latérale unique m( c( DSB s USSB ( s LSSB (

16 Modulation à Bande latérale unique Pour m( = A m cos(2πf m, s SSB ( = ½ A m cos(2πf m. A c cos(2π ± A m sin(2πf m. A c sin(2π Cas général d un signal m( non sinusoïdal : M(f) s SSB ( = A c [ m(. cos (2π ± m h (. sin(2π ] BLI BLS m h ( : est la transformée d Hilbert de m( M(f)+jM h (f) m h ( = m( * 1/(π M h (f) = -j. M(f) si f>0 = +j. M(f) si f0 Déphasage de 90 Déphasage de 90 Im{M h (f)} M(f)-jM h (f) BLI USSB BLS BLS

17 s(f) Modulation d amplitude : Réalisation de la modulation BLI BLS AM (DSB-LC) s( = A c [ 1+ k m( ] cos (2π m( c( Σ Diode polarisée dans la zone non linéaire : Composant non-linéaire I D VD k Tk = I s e 1 Filtre s( m( c( R v 0 e ( CVd) 1 1 = CVd+ + 2 C2 Vd 2 O( Vd 3 ) cos( x ) = cos( 2 x ) f

18 Réalisation de la modulation s(f) BLI BLS AM (DSB-LC) s( = A c [ 1+ k m( ] cos (2π m( c( Σ Diode polarisée dans la zone non linéaire : Composant non-linéaire I D VD k Tk = I s e 1 Filtre s( m( c( R v 0 e ( CVd) 1 1 = CVd+ + 2 C2 Vd 2 O( Vd 3 ) cos( x ) = cos( 2 x ) f

19 Réalisation de la modulation Double Balanced Modulator AM (DSB-LC) s( = A c [ 1+ k m( ] cos (2π V CC f C s( m(

20 Réalisation de la modulation c( m( X DSB-SC DSB-SC s( = m( A c cos (2π AM en filtrant la porteuse : AM Filtre (fc) DSB-SC Problème : Si le spectre du signal m( s étale jusqu au DC s(f) BLI BLS Deux modulations AM : AM = A c [ 1+ k m( ] cos (2π m( AM Σ DSB-SC -1 AM

21 Réalisation de la modulation DSB-SC (suite) s( = m( A c cos (2π U2795B 2.5-GHz Double- Balanced Mixer Modulateur balancé : Principe : m( v 0 c( m( v 0 c(

22 Réalisation de la modulation SSB : s SSB ( = A c [ m(. cos (2π ± m h (. sin(2π ] En filtrant une bande latérale : DSB-SC SSB Filtre Déphasage (très efficace) : Problème Problème : : Si Si le le spectre spectre du du signal signal m( m( s étale s étale jusqu au jusqu au DC. DC. DSB-SC BLI BLS m( c( Déph. (-90 ) Déph. (-90 ) X X Σ± SSB

23 Modulation en quadrature (multiplexage) : QAM En En exploitant exploitant l orthogonalité l orthogonalité du du sinus sinus et et du du cosinus cosinus et et afin afin d optimiser d optimiser l utilisation l utilisation des des bandes bandes spectrales spectrales on on envoie envoie deux deux signaux signaux distincts. distincts. s QAM ( = A c m 1 (. cos (2π + A c m 2 (. sin(2π m 1 ( c( m 1 ( Déph. (π/2) A c cos (2π A c sin (2π X X Σ S QAM ( Dans le domaine fréquentiel : S(f) = (A c /2). [ M 1 ( f + ) + M 1 ( f - ) ] + j (A c /2). [ M 2 ( f + ) - M 2 ( f - ) ] Il est possible de reconstruire les deux signaux qui occupent la même bande de fréquence. Il est possible de reconstruire les deux signaux qui occupent la même bande de fréquence.

24 QAM : Modulation en quadrature (multiplexage) m 1 ( m 2 ( m 1 (. cos (2π m 2 (. sin(2π s QAM ( = m 1 (. cos (2π + m 2 (. sin(2π

25 Modulation à bande latérale résiduelle (VSB) Afin d optimiser l utilisation du spectre de fréquence de même qu une SSB mais plus simple à réaliser, on utilise un filtre (non idéal) qui laisse passé une des deux bandes latérales et une partie de l autre. Donc, on a une réduction importante de la largeur de la bande utilisée. La modulation à bande latérale résiduelle (VSB : Vestigial Sideband) est plus pratique quand la bande de base s'étale jusqu au DC. La modulation VSB est utilisée beaucoup dans les diffusions des signaux tv. s DSB (f) m( X s DSB Filtre passe-bande s VSB BLI BLS c( =A c cos(2π ) H VSB (f) Comment Comment choisir choisir le le filtre filtre pour pour pouvoir pouvoir restituer restituer le le signal signal!?!? s VSB (f)

26 Modulation à bande latérale résiduelle (VSB) Pour un signal DSB-SC : S DSB (f) = ½ A c. M( * [δ( f + ) + δ( f - ) ] = ½ A c. M( f + ) + M( f - ) S VSB (f) = ½ A c [ M(f+ ) + M(f- ) ]. H(f) = ½ A c [M( f + ) H(f) + M( f - ) H(f)] Sachant que : X( f - fg ) = X(f ) * δ( f - ) S VSB (f) = ½ A c [M( f ) H( f - )]* δ( f + ) + ½ A c [M( f ) H( f+ )]* δ( f- ) = ½ A c [M( f ) H( f - ) + M( f ) H( f+ )] * [δ( f + ) + δ( f - )] -½ A c [M( f ) H( f - )]* δ( f - ) -½ A c [M( f ) H( f+ )]* δ( f+ ) H(f)=0 = 0 (pour f f = =+2.f ± c ) S VSB (f) = ½ A c M( f ) [H( f - ) + H( f+ )] * [δ( f + ) + δ( f - )] Donc Donc pour pour pouvoir pouvoir restituer restituer le le signal signal m( m( de de la la même même façon façon que que pour pour une une modulation modulation DSB, DSB, il il suffit suffit de de prendre prendre un un filtre filtre dont dont :: H(f-f H(f- )+H(f+ ) c )+H(f+ ) = C H VSB (f) - H( f - ) + H( f+ )