Modulation
Qu'est-ce ? Pourquoi ?

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Avertissement : ceci n'est pas un cours détaillé de radioélectricité,
mais un descriptif des divers éléments scientifiques & techniques de base qui coopèrent
dans une liaison radioélectrique, télévisuelle, ou, plus récemment Wi-Fi.
C'est un exposé de culture générale, pas un précis de technicité.
Mais il suffit à ceux qui souhaitent ajouter la radio à leurs bases culturelles scientifiques ou techniques,
ou l'aborder sérieusement avec une idée préalable des différents chapitres qu'ils devront aborder.

"Transmission par modulation" opposée à "Transmission en Bande de base"

Si l'ensemble harmoniques utiles du signal à transmettre
se situe l'intérieur de la bande passante
du support de transmission,
le signal peut y être envoyé tel quel.
C'est ce que l'on appelle "transmettre en bande de base".

Dans la présente étude, nous ne nous intéresserons qu'à la modulation.
Si vous vous intéressez à la transmission en bande de base voyez :

Présentation générale :
La voix téléphonique sur les lignes terminales d'abonnés actuelles.
Liaisons RS 232 locales : Modem-ordinateur (COM 1 ... etc), ou pour la souris, etc.
Signaux numériques sur la plupart des supports de transmission des réseaux locaux.

Manifestement, ce n'est pas le cas de la figure ci-dessus
où l'on observe que la bande correspondant au signal n'est pas incluse dans la bande passante du support.

.

Si on tentait une transmission directe du signal sur ce support il serait totalement atténué à l'arrivée.

Si on veut malgré tout se servir de ce support de transmission
il est nécessaire de modifier le signal initial, de manière reversible, en un signal de fréquence adéquate.

On dispose de multiples procédés pour effectuer une telle transposition de fréquences.
Ces procédés ont pour dénomination commune le mot "modulation".

En réalité, on ne fait pas que transposer la fréquence des signaux.

On crée des signaux de fréquence plus élevée contenant l'information à transmettre,
grâce à des dispositifs appelés MODULATEURS.

A l'arrivée, cette information sera extraite du signal HF (Haute Fréquence)
grâce à des dispositifs inverses : les DÉMODULATEURS.
Exemple des transmissions Radio

Un cas particulier important (mais pas le seul) de l'utilisation des procédés de modulation : les transmissions radio.

Seuls des courants de fréquences élevées générés par un émetteur dans son antenne émettrice
sont susceptibles de propager un signal vers une antenne réceptrice distante de plusieurs km.
La voix, la musique, l'image, vidéo ont des fréquences insuffisantes pour ce faire.
Dès lors, pour rendre leur transport possible, il est indispensable
de transposer leurs fréquences vers des valeurs auxquelles la propagation est possibe.
C'est le rôle de tout type de modulation.

Multiplexage - AMRF - FDMA -

On appelle ainsi toute opération par laquelle on fait passer plusieurs signaux indépendants
simultanément par une seule et même voie de communication.

Vous observerez que nous sommes environnés par des ondes provenant de très multiples sources :
innombrables émetteurs de radio & télévision, téléphones mobiles, réseaux Wi-Fi...

Toutes ces informations passent par la seule voie de la transmission hertzienne.

Comment ne se mélangent-elles pas ?
La réponse est que chaque émetteur produit un signal modulé dont les fréquences
sont strictement cantonnées dans des bandes précises et bien séparées les unes des autres.
Ce procédé particulier s'appelle l'Accès Multiple par Répartition de Fréquences : AMRF.
FDMA Frequency Division Multiple Access.

Le contraire est l' AMRT Accès Multiple par Répartition du Temps - TDMA Time Division Multiple Access.
Il consiste à attribuer le canal unique de transmission tour à tour à chacun des émetteurs, pendant des laps de temps fixés.
Méthode pouvant convenir dans certains cas, mais pas en radiodiffusion !

Conseil : ne s'y rendre que si on a bien saisi le présent cursus.
Multiplexage fréquentiel : AMRF / FDMA
Multiplexage temporel : AMRT / TDMA - signaux numériques -

Liens à étude plus précise de la radioélectricité :

Ondes Hertziennes - Découverte : Maxwell - Hertz - Branly - Marconi -
Radiorécepteurs : Principe - Syntonisation - Amplification DI - Démodulation -

Les trois types de modulation de base

Que veut dire "moduler" une "porteuse" par un signal ?

D'abord on génère une sinusoïde pure de fréquence assez élevée pour être largement contenue dans la bande passante du support de transmission.

Cette sinusoïde s'appellera désormais la porteuse
: 'carrier' en anglais
.
On lit souvent : "Porteuse HF" (Haute Fréquence)
pour souligner la différence avec le signal à transporter dont la fréquence est bien inférieure.
Ce signal transporté est souvent qualifié de BF (Basse Fréquence) ou AF (AudioFréquence) s'il s'agit de sons.

Comme toute sinusoïde, la porteuse peut être définie par trois paramètres :
son amplitude "A", sa fréquence "F", sa phase ' Phi '

Chacun des trois paramètres de la porteuse ( A, F, Phi)
peut être séparément rendu proportionnel
au signal à transmettre.

Ce qui donne lieu aux trois types fondamentaux de modulation :

  • Modulation d'Amplitude
  • Modulation de Fréquence
  • Modulation de Phase
Les trois types de modulation

Modulation d'amplitude
Mettons que le signal à transmettre soit la sinusoïde suivante :

sur la porteuse

Remplaçons l'amplitude A de la porteuse par une fonctionlinéaire du signal :


Le dispositif électronique réalisant une telle fonction est le MONDULATEUR D'AMPLITUDE
Son étude sort du cadre du présent exposé des principes.

Oui mais...direz-vous,
les signaux à transmettre ne sont généralement pas des pures sinusoïdes !
Certes, mais un théorème célèbre (de Fourrier) nous explique que tout signal périodique peut se décomposer
en une somme de pures sinusoïdes ayant comme fréquences :

  1. La fréquence de ce signal (composante sinusoïdale dite "la Fondamentale"
  2. La fréquence de cette fondamentale multipliée par 2 : dite "Harmonique 2"
  3. La fréquence de cette fondamentale multipliée par 3: dite "Harmonique 3 "
  4. etc...

Dans le cas de la plupart des signaux à transmettre, les amplitudes des harmoniques diminuent rapidement quand leur rang augmente.

En conclusion, les définitions de la modulation que je donne sur l'exemple d'une seule sinusoïde
sont valables pour toutes les sinusoïdes, fondamentale comme harmoniques, du signal.

Modulation de fréquence

Porteuse :

On remplace le paramètre fréquence F par
par une fonction sinusoïdale représentant le signal (ou l'une de ses harmoniques).


L'amplitude A de la porteuse modulée reste constante.
Sa fréquence varie de (F0 - ka) à (F0 +ka)
F0 étant la fréquence centale.
L'intervalle (F0 - ka) à (F0 +ka) s'appelle l'excursion maximale de fréquence.

L'étude des dispositifs rélectroniques réalisant une telle fonction
les MODULATEURS DE FRÉQUENCE,
sort du cadre de l'étude générale présentée dans cette page.

Modulation de phase

Porteuse :

On remplace le paramètre phase Phi
par une fonction sinusoïdale représentant le signal (ou l'une quelconque de ses harmoniques).

L'amplitude A de la porteuse modulée reste constante.
Seule sa phase dévie en fonction linéaire du signal modulant.

Il existe une relation différentielle entre les variations de la fréquence et celles de la phase.

L'étude des dispositifs rélectroniques réalisant une telle fonction
les MODULATEURS DE PHASE,
sort du cadre de l'étude générale présentée dans cette page.


Quelques Exemples
Une étude plus détaillée de la modulation d'amplitude
sera faite à la page suivante.
En attendant...quelques schemas pour "visualiser" les nouveaux concepts :
Tracé de quelques signaux modulés en amplitude par le logiciel "MathLab"

La fonction tracée est :

D'abord les signal initial (50 Hz) en noir et la porteuse 200 Hz
séparément sans modulation du second par le premier :

Ensuite la même porteuse modulée par le même signal.

Mise en évidence de l'enveloppe de modulation.
Cette enveloppe n'existe pas, mais c'est elle est
créée par le procédé de démodulation.


Signal modulé en amplitude : tracé de la fonction ci-dessus
avec des paramètres particuliers.
effectué à l'aide du logiciel "MathLab"


Voici un exemple très particulier de modulation d'une porteuse sinusoïdale
par un signal numérique binaire.
Les trois modulations sont comparées graphiquement.


Voici les trois types de modulations comparés.



Voici une autre manière d'utiliser la modulation d'amplitude pour transmettre des signaux binaires.
C'est un système "bivalent" chaque niveau - dit "symbole" - correspond non plus à un état binaire mais deux).
Ce qui permet de doubler la vitesse de transmission par rapport au système monovalent ci-dessus)


Rendez-vous à la page suivante pour une étude plus de détaillée de la modulation.


Modulations composites

Dans la suite, vous trouverez une étude plus détaillée de

  • Modulation d'amplitude AM (Amplitude Modulation)
  • Modulation d'amplitude à porteuse supprimée CAM (Carrierless AM)
  • Modulation d'amplitude à Bande Latérale Unique BLU (SSB Single Side Band)

Pour les besoins des transmissions modernes, en particulier pour la télévision et les transmissions numériques à haut débit, ont été mises au point des méthodes de modulation combinant plusieurs des trois types de base
que nous venons de décrire très succinctement.

J'examine de plus près ces techniques particulières aux pages pointées par les liens ci-dessous,
mais ne vous y reportez directement que si vous avez une bonne connaissance de la modulation d'amplitude de base
laquelle vous est présentée plus en détail à la page suivante.

Conseil : ne s'y rendre que si on a bien saisi tout le présent cursus.
Modulation d'amplitude à porteuses en quadrature QAM Quadrature Amplitude Modulation
Modulations composites Amplitude - Phase - xQAM -
DMT Discrete Multitone Modulation - DWMT Discrete Wavelet MultiTone
Lignes numériques d'abonné - DSL - Digital Subscriber Lines, ADSL etc...

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