Modulations numériques : ASK, FSK, PSK Introduction Les communications en large bande sont maintenant quasi-exclusivement numériques : Wifi, Bluetooth, TNT, 3G, LTE (4G), WiMAX, Radio Numérique. Le principe de la modulation d amplitude, de fréquence ou de phase doit être adapté à des signaux en bande de base numérique. Le principe général est que le signal numérique en bande de base reçu au niveau de l émetteur est modulé pour produire un signal de haute fréquence, puis démodulé au niveau du récepteur pour être reconstitué à nouveau sous la frome d un signal en bande de base. Généralement le signal entre l émetteur et le récepteur correspond à une transmission hertzienne de haute fréquence qui possible grâce à l exploitation d antennes. Par exemple, pour le Wifi les fréquences de modulation sont (en simplifiant) de 2,4Ghz ou 5Ghz, et pour le WiMAX elles sont situées entre 2Ghz et 66Ghz. Modulation Numérique d Amplitude La modulation numérique d amplitude est généralement noté ASK pour Amplitude Shift Keying. La plus simple est la modulation OO-ASK. Les deux O signifiant On-Off. Le principe est de transmettre pour un état haut la fréquence F et pour un état bas un signal de fréquence nulle (c.-à-d. un signal de valeur constante égale 0). La figure ci-dessus en est une illustration 1 : 1) Proposez un montage exploitant un multiplieur permettant de réaliser cette modulation OO- ASK pour des signaux numériques de type : NRZ-L, BI- (ou Manshester). Donnez le schéma du montage. 2) Donnez les captures des signaux OO-ASK pour les deux types de signaux numériques : NRZ-L, BI- (voie 2 ASK, voie 1 signaux bande de base). La fréquence de modulation est de 100kHz. 3) Pourquoi la modulation OO-ASK peut-elle être problématique avec des signaux NRZ et sans problème avec des signaux BI-. 4) Ce type de modulation est-elle adapté à des signaux en bande de base utilisant le codage AMI. Justifiez votre réponse à partir de la capture du signal OO-ASK produit avec ce codage? 5) Quelle est pour vous la bande passante occupée par un signal OO-ASK? 6) Observez le spectre du signal modulé pour différentes fréquences de modulation. La forme du spectre observé est-il en adéquation avec votre réponse à la précédente question? 7) Comment pourrait-on transmettre plusieurs communications OO-ASK sur un même canal de transmission? 1 Un signal OO-FSK à la même forme.
8) Un autre montage (voir ci-dessous) est proposé pour réaliser une modulation OO-ASK. Relisez la documentation page 5 du manuel de l utilisateur sur le fonctionnement du commutateur analogique. Expliquez pourquoi ce montage produit également une modulation OO-ASK. 9) Réalisez le montage, puis donnez les captures des signaux OO-ASK pour les deux types de signaux numériques : NRZ-L, BI- (voie 2 ASK, voie 1 signaux bande de base). Les signaux produits avec le montage de la question 2 sont-ils identiques à ceux produits avec ce montage (justifiez votre réponse)? 10) Ce type de montage permet-il une modulation efficace d un signal de base utilisant un codage AMI? Réalisez une capture de la forme du signal modulé dans ce cas, puis à partir de la forme du signal, justifiez votre réponse. Démodulation Numérique d Amplitude 11) Pour la démodulation d un signal OO-ASK, il suffit, comme pour la démodulation d amplitude d un signal analogique, de réaliser une détection d enveloppe. Il faut cependant réaliser en plus une restauration (remise en forme) du signal numérique. Donnez les trois éléments à utiliser sur la plaquette Emona pour que la démodulation soit effective. Proposez ensuite un schéma complet faisant intervenir la modulation (premier montage) et la démodulation (avec restauration). 12) Vérifiez avec les deux types de montage OO-ASK et pour des signaux initiaux de la forme : NRZ-L et BI- que la démodulation (avec restauration) produit bien les mêmes signaux que ceux en entrées du modulateur. Réalisez des captures pour illustrer ces différents cas. 13) Donnez, pour les deux montages OO-ASK, les captures des signaux modulés (voie 1) et démodulés (voie 2) lorsque le signal de base au niveau du récepteur utilise un codage AMI. Les oscillogrammes des signaux démodulés sont ils en adéquation avec vos réponses aux questions 4 et 9? 14) Ajoutez du bruit (0dB, -6dB et -20dB) aux signaux modulés. Capturez la forme du signal reconstitué pour les trois valeurs de bruits et pour les deux cas : NRZ-L et BI-. Estimez ensuite le taux d erreurs binaires à partir du message de 31 bits pour ces 3*2 cas différents. Donnez des captures permettant d illustrer quand une valeur binaire sera correctement reconnue et quand elle ne le sera pas.
Modulation et démodulation numérique de fréquence La modulation numérique de fréquence est généralement désignée par le terme FSK pour Frequency Shift Keying. Elle a également beaucoup de points communs avec la modulation de fréquence de signaux analogiques. Dans le cadre d une communication numérique correspondant à une transmission d un message binaire codé par un signal en bande de base avec seulement deux niveaux possibles, la modulation de fréquence est qualifiée de binaire et est notée BFSK. Le signal modulé à deux fréquences F 1 et F 2. Les périodes pendant lesquelles le signal à l une de ces deux fréquences correspondent respectivement aux états bas et haut du signal non-modulé. La figure ci-dessous en est une illustration : 15) Proposez un montage exploitant le VCO permettant de réaliser une modulation BFSK. 16) Réalisez le montage et réglez le VCO de tel façon qu un état bas correspond à une fréquence de 100kHz et un état haut à une fréquence de 120kHz. Explicitez comment vous procédez pour réaliser ce réglage. 17) Pour les mêmes messages binaires (NRZ-L et BI- ) utilisés avec la modulation ASK, réalisez les captures des signaux modulées en sortie du montage BFSK (voie 2) et placez en regard le signal en bande de basse (voie 1). Vérifiez que vous obtenez bien des signaux ayant l allure du l illustration ci-dessus. 18) Réalisez la capture des spectres pour les deux cas de la question précédente. En déduire la bande passante nécessaire pour la transmission des deux types de signaux. 19) Sans rien changer au montage précédent, utilisez un codage AMI (changez la position des deux cavaliers) pour le message de 31 bits du module «master signal». Réalisez une capture des signaux produits en utilisant le même protocole qu à la question précédente. Pensezvous que la forme du signal modulé est adaptée à ce codage afin de pouvoir réaliser par la suite une démodulation efficace du signal permettant de reconstituer le signal AMI? Le signal modulé produit est-il encore de type BFSK? 20) En utilisant un multiplicateur dont une des entrées reçoit un signal sinusoïdal de fréquence de 100kHz. Proposez un montage permettant de réalisez la démodulation du signal modulé en BFSK (avec restauration). 21) Testez avec les deux codages : NRZ-L et BI-, l efficacité du montage proposé à la question précédente. Réalisez des captures permettant d illustrer cette efficacité.
22) Avec un signal de base de type AMI, le montage proposé permet t il de reconstituer en sortie du démodulateur un message correspondant également un codage de type AMI? Justifiez votre réponse et donnez des captures permettant d étayer votre justification. 23) Proposez une démodulation utilisant le module ZCF (voir exemples dans le tp5 de T1) permettant de réaliser une reconstruction efficace de signal de base pour les trois codages : NRZ-L, BI- et AMI. Y a-t-il quelques modifications à apporter aux caractéristiques de la modulation FSK? Justifiez votre réponse. 24) Réalisez des captures permettant d illustrer l efficacité de votre montage pour ces trois types de signaux de base. 25) Ajoutez maintenant du bruit (0dB, -6dB et -20dB) aux signaux modulés. Capturez la forme du signal reconstitué pour les trois valeurs de bruits pour les trois cas : NRZ-L, BI- et AMI. Estimez ensuite le taux d erreurs binaires à partir du message de 31 bits pour ces 3*3 cas différents. 26) Donnez des captures permettant d illustrer quand une valeur binaire sera correctement reconnue et quand elle ne le sera pas. Sur quel critère réaliser cette catégorisation. Modulation et démodulation numérique de phase La modulation numérique de phase est généralement désignée par le terme PSK pour Phase Shift Keying. Elle a également beaucoup de points communs avec la modulation de phase de signaux analogiques. Dans le cadre d une communication numérique correspondant à une transmission d un message binaire codé par un signal en bande de base avec seulement deux valeurs possibles pour la phase (notées 1 et 2 ) du signal sinusoïdal, la modulation de phase est qualifiée de binaire et elle est notée BPSK. Les périodes pendant lesquelles le signal à l une de ces deux phases correspondent respectivement aux états bas et haut du signal non-modulé. La figure ci-dessous est une illustration d un signal BPSK:
27) Réalisez le montage ci-dessous et vérifiez que le signal produit est bien de nature BPSK pour des signaux de bande de base de type : NRZ-L et BI-. 28) Quelles sont les deux phases possibles du signal modulé? 29) Déterminez la bande passante pour les deux types de signaux modulés en analysant les spectres correspondant. 30) Ce type de modulation est elle adaptée pour moduler un signal de base utilisant un codage AMI? Justifiez votre réponse. 31) Le schéma complet de la modulation et démodulation BPSK est celui-ci-dessous. Réalisez ce montage. 32) Réalisez des captures illustrant que la démodulation BPSK de signaux produits à la question 28 sont correctement réalisées. 33) Expliquez mathématiquement les principes misent en œuvre dans le cadre d une modulation et démodulation BPSK. 34) Ajoutez maintenant du bruit (0dB, -6dB et -20dB) aux signaux modulés. Capturez la forme du signal reconstitué pour les trois valeurs de bruits pour les trois cas : NRZ-L et BI-. Estimez ensuite le taux d erreurs binaires à partir du message de 31 bits pour ces 3*2 cas différents. 35) Donnez des captures permettant d illustrer quand une valeur binaire sera correctement reconnue et quand elle ne le sera pas au niveau de la sortie du récepteur.