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Modulation
Qu'est-ce ? Applications ?

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Résumé


Définition

On appelle modulation toute opération s'appliquant à un signal porteur d'information
et qui permet, suivant les applications :

  • De transmettre ce signal ainsi transformé,
    sur une ligne ou un canal de transmission inapte à transmettre le signal initial.

    Entre autres exemples : la radiodiffusion ou la télévision hertziennes.
    Les signaux électriques correspondant aux sons ou à la vidéo sont incapables de se propager sur des longues distances.

  • De transmettre sur un même support de transmission (ligne métallique ou canal hertzien) plusieurs signaux indépendants tout en conservant la possibilité de les séparer à l'arrivée.
    On appelle cela le multiplexage de divers signaux.

    Exemples :
    • De très nombreuses conversations téléphoniques simultanées peuvent être transmises sur un seul câble entre deux centraux.

    • Ou encore la radiodiffusion ou la télévision hertziennes dont d'innombrables émetteurs diffusent leurs ondes sur le même support : l'espace hertzien.


Procédés

On a recours à un signal sinusoïdal dit "porteuse"
choisi de telle fréquence qu'il convienne à la transmission dans le support ou canal choisi
et on rend l'une de ses caractéristiques (amplitude, fréquence ou phase)
proportionnelles au signal à transmettre.
A l'arrivée, on extrait le signal de la porteuse (Démodulation).


"Transmission par modulation" ou"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 transmission par 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.

La figure ci-dessus est relative au cas où la bande des fréquences composant le 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.

Pour se servir de ce support de transmission pour véhiculer notre signal
il sera nécessaire de modifier ce 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, comme nous allons le voir,
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 du point de vue mathématique


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
à l'aide du 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.

Mis en évidence de l'enveloppe demodulation

Attention !
Cette enveloppe (en noirsur la fig.) a été artificiellement ajoutée pour me faire comprendre.
Elle n'existe pas dans le signal modulé (fig. précédente).

Mais à l'arrivée, le dispositif d'extraction (démodulateur d'amplitude)
la reconstituera car elle représente le signal modulant initial.


Signal modulé en amplitude : tracé de la fonction ci-dessus
avec des paramètres particuliers.

(Effectué à l'aide du logiciel "MathLab")

Modulations par un signal numérique

Voici les trois types de modulations pouvant être utilisées
pour transmettre un signal numérique.

Seules les deux dernières offrent de réels avantages.
La première est trop sensible aux perturbateurs radioélectriques.


1° Modulations d'amplitude ASK

Connue sous le nom de "ASK" ( Amplitude Shift Keying)
( shift = déplacement ; keying = codage)

Voici un exemple de modulation ASK d'une porteuse sinusoïdale
par un signal numérique binaire.


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)

2° Modulations de fréquence FSK


Connue sous le nom de :
FSK Frequecy Shift Keying
( shift = déplacement ; keying = codage)
Modulation par changement de fréquence.


Elle a été la première modulation utilisée dans les premières transmissions numériques sur le réseau téléphonique.

Ce réseau RTC fut jadis créé pour transmettre seulement les sons et la voix.
Les lignes étaient incapables de transmettre directement un signal binaire à deux tensions représentant 0 et 1.
En effet, elles "passaient" très mal le continu et les basses fréquences
vu qu'elles mettaient en oeuvre des éléments inductifs
tels que des transformateurs et des bobines en ligne pour comprenser les pertes et améliorer la portée.

A chacune des extrémités de la ligne on plaçait un MODEM (MODulateur-DÉModulateur=,
appareil qui réalisait la modulation de type FSK au départ et la démodulation à l'arrivée.
Les fréquences f1 et f2 ( 300 Hz à 3200 Hz ) furent choisies à l'intérieur
de la bande passante de laligne (30 Hz- 4 kHz).
.
Voir la page "Modems Analogiques" pour plus de précisions ici :


Quelques exercices ?
Alors... cliquez ici :


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
de modulations 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 cursus jasqu'à présent .
Modulation d'amplitude - Bandes latérales
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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