Cet article rentre dans une série d’article technique portant sur les modulations. La série est étoffée de manière erratique.

N’étant pas spécialiste, si quelqu’un constate une coquille dans ces articles, qu’il n’hésite pas à le signaler…

L’ensemble des articles du même types sont répertoriés sur la page « Théorie et techniques » (cliquez ici) dont le contenu s’étoffe en fonction des publications. On peut déjà voir quelques titres d’articles qui sont en projet.

 

Aujourd’hui, de vastes quantités d’informations sont communiquées à l’aide de systèmes de radiocommunication. On retrouve aussi bien des liaisons radios analogiques que numériques. Cependant, l’un des aspects fondamentaux de tout système de transmission de radiocommunication est la modulation, ou la manière dont l’information est superposée à la porteuse radio, la faire varier, d’une manière telle que les informations puissent être transmises d’un endroit à un autre, depuis le « céateur » de l’information jusqu’au(x) destinataire(s).

Wikipedia nous donne un bel exemple sur sa page « modulation du signal » :

Par exemple, pour faire communiquer deux utilisateurs de courriels par une ligne téléphonique, des logiciels, un ordinateur, des protocoles, un modulateur et un démodulateur sont nécessaires. La ligne téléphonique est le canal de transmission, sa bande passante est réduite, il est affecté d’atténuation et de distorsions. La modulation convertit les informations binaires issues des protocoles et des logiciels, en tension et courant dans la ligne. Le type de modulation employé doit être adapté d’une part au signal (dans ce cas numérique), aux performances demandées (taux d’erreur), et aux caractéristiques de la ligne.

 

Si on se tourne vers le dictionnaire Larousse, on trouvera la définition suivant de la modulation :

Processus par lequel une grandeur caractéristique (amplitude, fréquence, phase) d’une oscillation, dite porteuse, est astreinte à suivre les variations d’un signal, dit signal modulant. (La modulation est en général destinée à changer la forme physique d’un signal et, en particulier, à le placer dans la bande de fréquences voulue pour sa transmission ou son traitement. En radiodiffusion, on utilise la modulation d’amplitude et la modulation de fréquence.

 

Il existe de nombreuses façons de moduler une porteuse radio pour transmettre un signal, chacune ayant ses propres avantages et inconvénients. Le choix de la modulation a un impact important sur le système de radiocommunication. Certaines formes sont mieux adaptées à un type de trafic alors que d’autres formes de modulation seront plus applicables dans certaines situations. Sans parler des considérations économiques bien entendu. Le choix de la forme de modulation appropriée est une décision clé dans toute conception de système de radiocommunication.

 

Parcourons ensemble ces types de modulations et découvrons les caractéristiques clefs qui les déterminent.

Types de bases de modulation

Il existe trois types principaux, de bases permettant à un signal radio (signal RF) d’être modulé :

• La modulation d’amplitude (AM):   Comme son nom l’indique, ce type de modulation vise à faire varier l’intensité, l’amplitude du signal porteur. On peut voir une représentation graphique du signal modulé ci-dessous et de ses constituants. 
  La modulation d’amplitude fut le premier type de modulation utilisée pour diffuser du son. Bien que d’autres types de modulations sont apparues, la modulation d’amplitude reste encore bien présente.
  Un autre article, dans cette série « thérorie et technique » abordera plus en détail ce type de modulation
• la Modulation de fréquence (FM):   Ce type de modulation consiste à faire varier la fréquence du signal porteur en function du signal modulant (l’information). On peut voir une représentation graphique du signal modulé en fréquence ci-après. 
  La modulation de fréquence a comme avantage que, les variations d’amplitude ne transmettant aucune information sur le signal. Les atténuations ou le bruit se repercutant sur l’amplitude seront donc supprimée dans le recepteur en lissant l’amplitude. Ce type de modulation, plus robuste, a en conséquence été utilisé pour de nombreuses applications comme la radiodiffusion sonore analogique de haute qualité.Un autre article, dans cette série « thérorie et technique » abordera plus en détail la modulatioon en fréquence.
• Phase modulation, PM:   Dans ce type de modulation, c’est la phase du signal porteur qui varie en function du signal modulant.
  La modulation de phase et la modulation de fréquence ont de nombreuses similitudes et sont liées – l’une est la différence de l’autre. Cependant, la modulation de phase se prête à la transmission de données et, par conséquent, son utilisation s’est rapidement développée ces dernières annéesD’autres articles, dans cette série « thérorie et technique » aborderont plus en détail ce type de modulation.
  

  Exemple de modulation de phase

 

Chacun de ces types de modulations a ses propres avantages et inconvénients et, par conséquent, ils sont tous utilisés dans différentes applications de radiocommunicationm comme explicité en début d’article.

En complément de ces trois types de modulations principales, on retrouve des modulations qui sont des variantes de celles-ci. Pour chacune de ces modulations l’utilisation dépendera de l’application considérée, de son cas d’utilisation.

Ces techniques pouvant être plus adaptées dans un cas analogique ou digitales.

 

La Modulation d’angle

La modulation d’angle est un nom donné aux formes de modulation basées sur la modification de l’angle ou de la phase d’une porteuse sinusoïdale. En utilisant la modulation d’angle, il n’y a pas de changement dans l’amplitude de la porteuse.

Les deux formes de modulation entrant dans la catégorie de la modulation d’angle sont :

• la modulation de fréquence
• la modulation de phase.

Elles sont toutes deux liées car la fréquence est la dérivée de la phase, c’est-à-dire que la fréquence est le taux de changement de phase.

Une autre façon de voir le lien entre les deux types de modulation est qu’un signal modulé en fréquence peut être généré en intégrant d’abord la forme d’onde modulante puis en utilisant le résultat comme entrée d’un modulateur de phase.

Inversement, un signal modulé en phase peut être généré en différenciant d’abord le signal de modulation puis en utilisant le résultat comme entrée d’un modulateur de fréquence.

Ici aussi, ce principe sera plus détaillé dans d’autres articles de la même série.

 

Combinaisons de modulations

Il est possible d’utiliser des formes de modulation combinant des composantes de modulation d’amplitude et d’angle. De cette manière, des améliorations de performance peuvent être obtenues. Citons par exemple :

• la modulation d’amplitude en quadrature, (QAM dans la littérature – principalement anglophone): est un signal dans lequel deux porteuses décalées de 90 degrés sont modulées et la sortie résultante comprend des variations d’amplitude et de phase. Étant donné que les variations d’amplitude et de phase sont présentes, on peut aussi les considérer comme un mélange de modulation d’amplitude et de phase.
• la modulation par déplacement d’amplitude et de phase (APSK) : c’est un schéma de modulation numérique qui utilise à la fois les changements d’amplitude et de phase du signal de la porteuse pour fournir le mécanisme de transport des données.
  Ce type de modulation présente un certain nombre de caractéristiques et d’avantages susceptibles de résoudre les problèmes rencontrés avec les techniques de modulation par décalage de phase et d’amplitude en quadrature, par exemple.

Des articles détaillant ces modulations seront publiés prochainement.

 

Bande passante du signal

Un élément important de tout signal est la bande passante qu’il occupe et par conséquent le nombre de canaux pouvant être intégrés dans un segment donné du spectre radioélectrique. Avec l’augmentation de l’utilisation du spectre radio (on songera à la 5G, Lora, Sigfox… qui viennent grignoter les parts libres du spectre).

La largeur de bande du signal radio est une caractéristique importante de tout type d’émission ou de transmission radio.

La bande passante est régie par deux considérations principales:

• le type de modulation : Certaines formes de modulation utilisent leur bande passante plus efficacement que d’autres. Cela signifie que le choix du type de modulation peut être dicté par l’occupation du spectre.
• la bande passante du signal modulant: une loi physique (oserais-je dire naturelle ?) appelée « loi de Shannon » détermine la largeur de bande minimale à travers laquelle un signal peut être transmis. En général, plus la largeur de bande du signal modulant est large, plus la bande passante requise du signal modulé est grande.

Type de signal modulant

Outre la forme de modulation elle-même, le type de signal utilisé pour moduler la porteuse a également une incidence sur le signal.

Les signaux analogique et digitaux sont deux formes très différentes de signal de modulation et doivent être traitées différemment. Bien que différents formats de modulation puissent être utilisés, le type de signal appliqué via le modulateur influe également sur le signal.

Les signaux pour une diffusion stéréo de haute qualité seront traités différemment des signaux fournissant une télémétrie numérique, par exemple. Par conséquent, il est souvent important de connaître le type de signal à transporter par la porteuse RF.