Comparaison et contraste d’amplitude, de fréquence et de modulation de phase

Comment les différents schémas de modulation se comparent-ils en termes de performances et d’applications? Nous allons jeter un coup d’œil.

Il est important de comprendre les caractéristiques saillantes des trois types de modulation RF. Mais ces informations n’existent pas isolément – le but est de concevoir de vrais systèmes qui répondent efficacement aux objectifs de performance. Ainsi, nous devons avoir une idée générale du schéma de modulation qui convient à une application particulière.

Modulation d’Amplitude (AM)

La modulation d’amplitude est simple en termes de mise en œuvre et d’analyse. De plus, les formes d’ondes AM sont assez faciles à démoduler. Dans l’ensemble, l’AM peut donc être considéré comme un schéma de modulation simple et peu coûteux. Comme d’habitude, cependant, la simplicité et le faible coût s’accompagnent de compromis en termes de performances – nous ne nous attendons jamais à ce que la solution la plus simple et la moins chère soit la meilleure.

Il peut ne pas être exact de décrire les systèmes AM comme «rares», car d’innombrables véhicules dans le monde entier comprennent des récepteurs AM. Cependant, les applications de la modulation d’amplitude analogique sont actuellement assez limitées, car l’AM présente deux inconvénients importants.

En plus de la radiodiffusion AM, la modulation d’amplitude analogique est utilisée dans l’aviation civile.

Amplitude Bruit

Le bruit est une difficulté perpétuelle dans les systèmes de communication sans fil. Dans un certain sens, la qualité d’une conception RF peut être résumée par le rapport signal / bruit du signal démodulé: moins de bruit dans le signal reçu signifie une sortie de meilleure qualité (pour les systèmes analogiques) ou moins d’erreurs binaires (pour les systèmes numériques ). Le bruit est toujours présent et nous devons toujours le reconnaître comme une menace fondamentale pour les performances globales du système.

Le bruit – bruit électrique aléatoire, interférences, transitoires électriques et mécaniques – fonctionne sur l’amplitude d’un signal. En d’autres termes, le bruit peut créer une modulation d’amplitude. C’est un problème, car la modulation d’amplitude aléatoire résultant du bruit ne peut pas être distinguée de la modulation d’amplitude intentionnelle effectuée par l’émetteur. Le bruit est un problème pour tout signal RF, mais les systèmes AM sont particulièrement sensibles.

Linéarité de l’amplificateur

L’un des principaux défis dans la conception des amplificateurs de puissance RF est la linéarité. (Plus précisément, il est difficile d’obtenir à la fois un rendement élevé et une linéarité élevée.) Un amplificateur linéaire applique un certain gain fixe au signal d’entrée; graphiquement, la fonction de transfert d’un amplificateur linéaire est simplement une ligne droite, la pente correspondant au gain.

Une ligne droite représente la réponse d’un amplificateur parfaitement linéaire: la tension de sortie est toujours la tension d’entrée multipliée par un gain fixe.

Les amplificateurs réels ont toujours un certain degré de non-linéarité, ce qui signifie que le gain appliqué au signal d’entrée est affecté par les caractéristiques du signal d’entrée. Le résultat de l’amplification non linéaire est la distorsion, c’est-à-dire la création d’énergie spectrale aux fréquences harmoniques.

On peut aussi dire que l’amplification non linéaire est une forme de modulation d’amplitude. Si le gain d’un amplificateur varie en fonction de la fréquence du signal d’entrée ou en fonction de facteurs externes tels que la température ou les conditions d’alimentation, le signal transmis subit une modulation d’amplitude involontaire (et indésirable). Ceci est un problème dans les systèmes AM car la modulation d’amplitude parasite interfère avec la modulation d’amplitude intentionnelle.

Tout schéma de modulation qui incorpore des variations d’amplitude est plus sensible aux effets de la non-linéarité. Cela inclut à la fois la modulation d’amplitude analogique ordinaire et les schémas numériques largement utilisés connus collectivement sous le nom de modulation d’amplitude en quadrature (QAM).

Angle de Modulation

La modulation de fréquence et de phase codent les informations dans les caractéristiques temporelles du signal transmis et, par conséquent, elles sont robustes contre le bruit d’amplitude et la non-linéarité de l’amplificateur. La fréquence d’un signal ne peut pas être modifiée par le bruit ou la distorsion. Un contenu de fréquence supplémentaire peut être ajouté, mais la fréquence d’origine sera toujours présente. Le bruit a bien sûr des effets négatifs sur les systèmes FM et PM, mais le bruit ne corrompt pas directement les caractéristiques du signal qui ont été utilisées pour coder les données de bande de base.

Comme mentionné ci-dessus, la conception d’un amplificateur de puissance implique un compromis entre efficacité et linéarité. La modulation d’angle est compatible avec les amplificateurs à faible linéarité, et ces amplificateurs à faible linéarité sont plus efficaces en termes de consommation d’énergie. Ainsi, la modulation d’angle est un bon choix pour les systèmes RF de faible puissance.

Bande passante

Les effets dans le domaine fréquentiel de la modulation d’amplitude sont plus simples que ceux de la modulation de fréquence et de phase. Cela peut être considéré comme un avantage de l’AM: il est important de pouvoir prédire la bande passante occupée par le signal modulé.

Cependant, la difficulté de prédire les caractéristiques spectrales de FM et PM est plus pertinente pour la partie théorique de la conception. Si nous nous concentrons sur des considérations pratiques, la modulation d’angle pourrait être considérée comme avantageuse car elle peut traduire une bande passante de bande de base donnée en une bande passante de transmission un peu plus petite (par rapport à l’AM).

Fréquence versus phase

La modulation de fréquence et la modulation de phase sont étroitement liées; néanmoins, il existe des situations dans lesquelles l’un est un meilleur choix que l’autre. Les différences entre les deux sont plus prononcées avec la modulation numérique.

Modulation analogique de fréquence et de phase

Comme nous l’avons vu dans la page sur la modulation de phase , lorsque le signal en bande de base est une sinusoïde, une forme d’onde PM est simplement une version décalée d’une forme d’onde FM correspondante. Il n’est donc pas surprenant qu’il n’y ait pas d’avantages et d’inconvénients majeurs FM vs PM liés aux caractéristiques spectrales ou à la sensibilité au bruit.

Cependant, la FM analogique est beaucoup plus courante que la PM analogique, et la raison en est que les circuits de modulation et de démodulation FM sont plus simples. Par exemple, la modulation de fréquence peut être accomplie avec quelque chose d’aussi simple qu’un oscillateur construit autour d’une inductance et d’un condensateur commandé en tension (c’est-à-dire un condensateur qui subit des variations de capacité en réponse à la tension d’un signal en bande de base).

Modulation numérique de fréquence et de phase

Les différences entre PM et FM deviennent assez importantes lorsque nous entrons dans le domaine de la modulation numérique. La première considération est le taux d’erreur sur les bits. Évidemment, le taux d’erreur binaire de tout système dépendra de divers facteurs, mais si nous comparons mathématiquement un système PSK binaire à un système FSK binaire équivalent, nous constatons que le FSK binaire a besoin de beaucoup plus d’énergie de transmission pour atteindre le même taux d’erreur binaire. C’est un avantage de la modulation de phase numérique.

Mais les PM numériques ordinaires présentent également deux inconvénients importants.

  • Comme discuté dans la  page de modulation de phase numérique , le PSK ordinaire (c’est-à-dire non différentiel) n’est pas compatible avec les récepteurs non cohérents. FSK, en revanche, ne nécessite pas de détection cohérente.
  • Les schémas PSK ordinaires, en particulier QPSK, impliquent des changements de phase brusques qui entraînent des variations de signal à forte pente et des sections à forte pente de la forme d’onde diminuent en amplitude lorsque le signal est traité par un filtre passe-bas. Ces variations d’amplitude combinées à une amplification non linéaire conduisent à un problème appelé repousse spectrale. Pour atténuer la repousse spectrale, nous pouvons soit utiliser un amplificateur de puissance plus linéaire (et donc moins efficace) ou mettre en œuvre une version spécialisée de PSK. Ou nous pouvons passer à FSK, qui ne nécessite pas de changements de phase brusques.
Ici, vous pouvez voir les variations d’amplitude causées par le filtrage passe-bas d’un signal PSK.

Sommaire

  • La modulation d’amplitude est simple, mais elle est sensible au bruit et nécessite un amplificateur de puissance à haute linéarité.
  • La modulation de fréquence est moins sensible au bruit d’amplitude et peut être utilisée avec des amplificateurs à plus haute efficacité et à plus faible linéarité.
  • La modulation de phase numérique offre de meilleures performances théoriques en termes de taux d’erreur binaire que la modulation de fréquence numérique, mais la FM numérique est avantageuse dans les systèmes à faible puissance car elle ne nécessite pas d’amplificateur à haute linéarité.