M2107 : Principe des transmissions radio.

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1 M2107 : Principe des transmissions radio thibault.aubriot@univ-st-etienne.fr 1

2 M2107 : Principe des transmissions radio 2

3 Pourquoi transmettre? => Télécommunication => Radio 3

4 L idée, transmettre une information telle quelle! Mauvaise idée pour deux raisons importantes Domaine de fréquence du son : 0 à ~20kHz. => Inaudible!!! Antenne de 3,5 km => Impossible!!! la longueur d onde est la distance parcourue par l onde au cours d une période. 4

5 Etape 1 : Réduire la longueur des antennes => Augmenter la zone fréquence à transmettre!! Radio FM : 87MHz 108MHz Télécommande radio : 433kHz Etape 2 : Permettre de transmettre plusieurs informations en même temps => Attribuer à chaque information un canal qui lui est réservé. Canal temporel ou canal fréquentiel 5

6 Les émetteurs en télécommunication. Modulateur : Transforme notre signal utile en un signal télécom. Oscillateur : Générer une fréquence élevée, liée à notre antenne. Spectre? 6

7 Les modulateurs. Deux grands principes de modulations. Modulation d amplitude L information utile est transmise par l amplitude du signal haute fréquence. Amplitude Modulation de fréquence L information utile est transmise par la fréquence du signal haute fréquence. Amplitude temps 7

8 La modulation d amplitude L idée : Multiplier un signal dit porteur avec un signal dit modulant afin de créer un signal dit modulé Signal modulant : C est le signal utile, l information que l on veut transmettre Signal porteur : Signal haute fréquence permettant de transposer notre signal modulant en haute fréquence Signal modulé : Signal haute fréquence résultant de l opération de multiplication AM : Signal modulé (t) = Signal porteur (t) * (1+ k*signal modulant(t)) Structure? 8

9 La modulation d amplitude et son signal temporel Exemple de transmission d un signal sinusoïdale : le «LA» Fréquence d un «LA» : Fe = 440hz, d amplitude max V Avec s(t) : signal modulé, e(t) le signal modulant, signal porteur de fréquence Fp Rappel : Signal modulé (t) = Signal porteur (t) * (1+ k*signal modulant(t)) m : indice de modulation? m = k * Vm 9

10 La modulation d amplitude et son signal temporel Exemple de modulation m : indice de modulation m = 0,7 m = 1,4 On retrouve l enveloppe aucun souci pour démoduler Risque de distorsion lors de la détection de l enveloppe On parle de sur modulation dès que m>1. Obligation d utiliser un démodulateur performent 10

11 La modulation d amplitude et son spectre Fréquence d un «LA» : Fe = 440hz Avec s(t) : signal modulé, e(t) le signal modulant, signal porteur de fréquence Fp Spectre? S t = E ( 1 + m cos 2 pi Fe t ) cos(2 pi Fp t) => Généralisation à un signal réel audio. A Bande occupé B = 2*Fmax f Fmin Fmax Rappel : 11

12 La modulation d amplitude : exemple d application Applications : en radiodiffusion PO ou GO, un émetteur a droit à une bande de 9 khz, ceci ne peut être réalisé que si on limite le spectre basse-fréquence à 4 khz un canal CB ayant une largeur de 10 khz, le spectre basse-fréquence doit être limité à 5kHz 12

13 La modulation d amplitude : notre modulateur Spectre? Constituant du modulateur? Démo sous labview 162 khz France Inter France Rappel : Signal modulé (t) = Signal porteur (t) * (1+ k*signal modulant(t)) 13

14 La modulation d amplitude : deux types de modulations d amplitude Signal temporel et Spectre d une modulation d amplitude dit à porteuse conservée. Signal temporel Spectre Problème la puissance se partage sur l ensemble du spectre. => la raie porteuse qui ne contient pas d information utilise et consomme de la puissance Signal temporel et Spectre d une modulation d amplitude dit à porteuse supprimée. Signal temporel Spectre 14

15 La modulation d amplitude : modulation à porteuse supprimée Réalisation du modulateur : Signal modulant Signal modulé Signal porteur Spectre? La fonction multiplication permet La transposition en fréquence Emetteur BLU : Envoi d une bande de fréquence 15

16 La modulation d amplitude : Analyse des fréquences GO => la bande de 150 khz à 300 khz 216 khz Radio Monte Carlo France 183 khz Europe 1 Allemagne 162 khz France Inter France => un émetteur a droit à une bande de 9 khz, => Chaque station émettrice dispose donc d un canal donné autour de sa fréquence porteuse et ne doit pas sortir de ce canal. => Comment faire? Multiplexage fréquentiel Démo 16

17 Après la modulation d amplitude place à la démodulation d amplitude. Objectif : récupérer le signal modulant du départ. Filtre passe bande : réglé sur le canal que l on souhaite démoduler Démodulateur : Deux types : Démodulateur par détection d enveloppe Démodulateur synchrone 17

18 Démodulation d amplitude : Démodulateur par détection d enveloppe Signal temporel du signal modulé Signal temporel du signal modulant AM porteuse conservée : Signal modulé (t) = Signal porteur (t) * (1+ k*signal modulant(t)) Exemple : Si m<= 1, sous modulation. Si m>1 sur modulation AM porteuse supprimée : Signal modulé (t) = Signal porteur (t) *Signal modulant(t))*k 18

19 Démodulation d amplitude : Démodulateur synchrone Signal modulé Signal porteur Reconstitué déphasé de phi par rapport à la porteuse du modulateur AM porteuse conservée : Signal modulé (t) = Signal porteur (t) * (1+ k*signal modulant(t)) Exemple : Si m< 1, sous modulation. Si m>1 sur modulation AM porteuse supprimée : Signal modulé (t) = Signal porteur (t) *Signal modulant(t)) Impact de PHI sur la démodulation? Rappel : 19

20 Démodulation d amplitude : Démodulateur synchrone Récupération de la porteuse synchrone 20

21 Démodulation d amplitude : retour à notre démodulateur Objectif : récupérer le signal modulant émis par le modulateur 216 khz Radio Monte Carlo France 183 khz Europe 1 Allemagne 162 khz France Inter France Comment choisir notre station de radio? 21

22 Démodulation d amplitude : Démodulateur hétérodyne Objectif : récupérer le signal modulant émis par le modulateur et choisir notre station de radio Principe : Utiliser un seul démodulateur réglé sur une bande de fréquence précise et décaler le spectre que l on veut démoduler dans cette même bande de fréquence. 22

23 Démodulation d amplitude : Démodulateur hétérodyne Etage 1 : Module amplificateur HF Contient l ensemble des stations radio reparties sur leur canal respectif. Etage 2 : Oscillateur à fréquence réglable. Générateur de signal sinusoïdale de fréquence Fol Etage 3 : Bloc produit Permet une transposition en fréquence autour d une fréquence intermédiaire. Etage 4 : Filtre passe bande sélectif centré sur 455Khz Fc = 455Khz 23

24 Démodulation d amplitude : Démodulateur hétérodyne Etage 5 : Contrôleur automatique de Gain ( CAG) Etage 6 : Démodulateur Signal modulé autour de 455Khz Signal modulé autour de 455Khz et amplifié Détecteur d enveloppe. Démodulateur synchrone Pourquoi amplifier le signal? Puissance reçue est proportionnelle à l inverse de la distance 24

25 Démodulation d amplitude : Démodulateur hétérodyne, dimensionnement complet GO : la bande de 150 khz à 300 khz un émetteur a droit à une bande de 9 khz Bande passante? Fréquence Centrale? Plage de fonctionnement? 25

26 Synthèse : Dans une modulationd amplitudequelélément transmet le signalutile? Donner la relation entre signal modulant, signal modulé, signal porteur. Donner la structure d un modulateur d amplitude à porteuse conservée. Donner le spectre d une modulation d amplitude à porteuse conservée avec un signal modulant d amplitude A et de fréquence F. Rappeler la formule de l indice de modulation. Donner l encombrement spectral d une modulation d amplitude. Donner la structure d un modulateur d amplitude à porteuse supprimée. Donner le spectre d une modulation d amplitude à porteuse supprimée. Donner l avantage de cette modulationd amplitudeà porteuse supprimée. Comment transposer en fréquence un spectre? Donner la structure permettant de transposer en fréquence. Rappeler ce qu est la démodulation d amplitudepardétection d enveloppe. Rappeler ce qu est la démodulation d amplitudesynchrone. Donner la structure permettant une démodulation synchrone. Rappeler les équations liées à ce type de démodulateur. Expliquer l intérêt d un démodulateur hétérodyne. Rappeler le schéma d un démodulateurhétérodyne. 26

27 La modulation de fréquence L idée : Générer un signal de fréquence variable dans lequel la variation de fréquence est directement liée au signal modulant. Signal modulant : C est le signal utile, l information que l on veut transmettre Signal modulé : Signal haute fréquence dont la fréquence de celui-ci contient l information utile FM : La fréquence instantanée de la porteuse s écrit : fp(t) = f0+ k*e(t) Avec f0, la fréquence centrale de mon signal HF et e(t) le signal modulant 27

28 La modulation de fréquence FM : La fréquence instantanée de la porteuse s écrit : fp(t) = f0+ k*e(t) On en déduit la pulsation de notre signal modulé => ωp (t) = ω0 + 2*π*k*s(t) D où la phase de notre signal : => θ(t) = ωp t dt Sm t = E cos ( ω0 t + 2 π k : e t dt ) e t S t 28

29 La modulation de fréquence Exemple : On souhaite transmettre un signal carré de valeur min A et valeur max +A Rappel Sm t = E cos ( ω0 t + 2 π k : e t dt ) Signal modulant Modulateur De Fréquence Signal Modulé t Si notre signal ne contient que deux états (deux valeurs de tension), dans notre signal modulé, on ne retrouve que deux fréquences 29

30 La modulation de fréquence Cas réel Notre signal étant analogique, on retrouve une infinité de valeurs de tension comprises en Vmin et Vmax de notre signal. On doit donc obtenir pour chaque valeur de tension d entrée, une fréquence de sortie. Un modulateur de fréquence n est rien d autre qu un convertisseur tension vers fréquence 30

31 La modulation de fréquence. Objectif : transformer une tension variable en signal électrique de fréquence variable. Utilisation d un VCO : Voltage Control Oscillator Tension d entrée e(t) Signal sinusoïdale dont la fréquence dépend de e(t) Caractéristique idéal d un VCO? Caractéristique Reel d un VCO? Domaine de fonctionnement 31

32 La modulation de fréquence : schéma de modulateur. V0 gère la fréquence centrale f0 Emax et Emin, valeur max et min de e(t) gère l excursion en fréquence autour de f0 fmin? fmax? Δf? 32

33 La modulation de fréquence : indice de modulation. indice de modulation? Rappel : fp(t) = f0+ k*e(t) Avec e(t) = a*cos(2*π*f*t ) Δf = k*a Avec Δf l excursion en fréquence autour de f0 Avec F fréquence max du signal Modulant Exemples: les émissions de radiodiffusion dans la bande FM sont à excursion moyenne: avec Δf = 75 khz et F = 10 khz, alors m=7 les satellites TV travaillent à forte excursion dans la bande des 10 GHz : Δf = 9 MHz et F = 1 MHz alors m=9. 33

34 La modulation de fréquence : spectre. Signal modulé : A l aide des fonction de Bessel, on décompose notre signal modulé sous la forme de somme de fonctions sinusoïdales. 34

35 La modulation de fréquence : spectre. Signal modulé : La bande de Carson représente la bande fréquence où l on retrouve 98% de la puissance du spectre FM 35

36 La modulation de fréquence : Structure complète d un émetteur. + passe bande f1 = 10.7 MHz 101,6 MHz Activ Radio Δf = ±75 khz et F = 10 khz 36

37 La démodulation de fréquence : Structure complète d un récepteur. 37

38 La démodulation de fréquence : Le démodulateur Le démodulateur est constitué d un système à boucle à verrouillage de phase. Lorsque la PLL est dite verrouillée, c est-à-dire que la fréquence du signal à démoduler est dans la plage de fonctionnement de la PLL alors : f(t) = f (t) Ainsi, si on considère que l entrée de notre démodulateur est l entrée de la PLL et la sortie de notre démodulateur est v(t). On obtient un convertisseur fréquence vers une tension soit l inverse de notre modulateur FM 38

39 La démodulation de fréquence : Le démodulateur Caractéristique de notre PLL en démodulateur de fréquence. Vmax Tension de sortie Vmax/2 Fmin Zone d accrochage Fmax Fréquence d entrée Zone de verrouillage 39

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