Les nombreux types de modulation de radiofréquence

La communication Radio Fréquence (RF) repose sur un concept simple: en modifiant continuellement les caractéristiques d’une sinusoïde, nous pouvons l’utiliser pour transférer des informations.

À ce stade, nous avons couvert une variété de concepts importants qui servent de base à la conception et à l’analyse réussies de circuits et de systèmes RF réels. Nous sommes maintenant prêts à explorer un aspect fondamental de l’ingénierie RF: la modulation.

Qu’est-ce que la modulation?

La signification générale du verbe «moduler» est «modifier, réguler, varier», et cela capture l’essence de la modulation même dans le contexte spécialisé de la communication sans fil. Moduler un signal, c’est simplement le modifier intentionnellement, mais bien entendu, cette modification se fait de manière très spécifique car le but de la modulation est le transfert de données.

Nous voulons transférer des informations, des uns et des zéros si nous avons affaire à des données numériques, ou une séquence de valeurs variant continuellement si nous travaillons dans le domaine analogique. Mais les restrictions imposées par la communication sans fil ne nous permettent pas d’exprimer ces informations de manière typique; au lieu de cela, nous devons concevoir un nouveau «langage», ou vous pouvez le considérer comme un code, qui nous permet de transmettre les mêmes informations mais dans les limites d’un système basé sur le rayonnement électromagnétique. Plus précisément, nous avons besoin d’un langage compatible avec les signaux sinusoïdaux haute fréquence, car ces signaux constituent le seul moyen pratique de «transporter» des informations dans un système RF typique.

Cette sinusoïde à haute fréquence qui est utilisée pour transporter des informations est appelée, de manière appropriée, la porteuse. C’est un nom utile car il nous rappelle que le but d’un système RF n’est pas de générer et de transmettre une sinusoïde haute fréquence. Le but est plutôt de transférer des informations (à basse fréquence), et la porteuse est simplement le moyen que nous devons utiliser pour déplacer ces informations d’un émetteur RF vers un récepteur RF.

Schémas de modulation

Dans la communication verbale, le corps humain génère des ondes sonores et les modifie – ou les module – de manière à produire une grande variété de voyelles et de consonnes. L’utilisation intelligente de ces voyelles et consonnes entraîne le transfert d’informations du locuteur à l’auditeur. Le système selon lequel les ondes sonores sont modulées est appelé langage.

En communication RF, la situation est très similaire. Un dispositif module les ondes électriques selon un système prédéfini appelé schéma de modulation (ou technique de modulation). Tout comme il existe de nombreuses langues humaines, il existe de nombreuses façons de moduler une porteuse.

Des schémas de modulation sophistiqués aident les systèmes RF modernes à atteindre une portée accrue et une immunité accrue aux interférences.

Il est possible que certaines langues humaines soient particulièrement efficaces pour transmettre certains types d’informations; pour prendre un exemple du monde antique, le grec était peut-être meilleur pour la philosophie et le latin meilleur pour la codification des lois. Il ne fait aucun doute, cependant, qu’une communication fiable est possible avec n’importe quel langage correctement développé, tant que le locuteur et l’auditeur le savent tous les deux . Il en va de même pour les systèmes RF. Chaque schéma de modulation a ses avantages et ses inconvénients, mais tous peuvent fournir une excellente communication sans fil si l’exigence fondamentale est remplie, c’est-à-dire que le récepteur doit être capable de comprendre ce que l’émetteur dit.

Amplitude, fréquence, phase

Une sinusoïde de base est une chose simple. Si nous ignorons le décalage CC, il peut être complètement caractérisé avec seulement deux paramètres: amplitude et fréquence. Nous avons également une phase, qui entre en jeu lorsque nous considérons l’état initial de la sinusoïde, ou lorsque des changements dans le comportement des vagues nous permettent de contraster une partie de la sinusoïde avec une partie précédente. La phase est également pertinente lors de la comparaison de deux sinusoïdes; cet aspect de la phase sinusoïdale est devenu très important en raison de l’utilisation généralisée des signaux en quadrature (ou «IQ») dans les systèmes RF. Nous examinerons les concepts du QI plus loin dans le manuel.

Comme discuté ci-dessus, la modulation est une modification, et nous ne pouvons modifier que ce qui est déjà présent. Les sinusoïdes ont une amplitude, une fréquence et une phase, et il n’est donc pas surprenant que les schémas de modulation soient classés comme modulation d’amplitude, modulation de fréquence ou modulation de phase. (En fait, il est possible de combler ces catégories en combinant la modulation d’amplitude avec la modulation de fréquence ou de phase.) Dans chaque catégorie, nous avons deux sous-catégories: la modulation analogique et la modulation numérique.

Modulation d’amplitude (AM)

L’AM analogique consiste à multiplier une porteuse sinusoïdale variant en continu par une version décalée d’un signal d’information variant en continu (c.à.d. bande de base). Par «version décalée», je veux dire que l’amplitude du signal en bande de base est toujours supérieure ou égale à zéro.

Supposons que nous avons une porteuse de 10 MHz et une forme d’onde en bande de base de 1 MHz:

Si nous multiplions ces deux signaux, nous obtenons la forme d’onde (incorrecte) suivante:

Vous pouvez clairement voir la relation entre le signal de bande de base (rouge) et l’amplitude de la porteuse (bleu).

Mais nous avons un problème: si vous ne regardez que l’amplitude de la porteuse, comment pouvez-vous déterminer si la valeur de la bande de base est positive ou négative? Vous ne pouvez pas – et, par conséquent, la démodulation d’amplitude n’extraiera pas le signal en bande de base de la porteuse modulée.

La solution est de décaler le signal en bande de base pour qu’il varie de 0 à 2 au lieu de -1 à 1:

Si nous multiplions le signal de bande de base décalé par la porteuse, nous avons ce qui suit:

Maintenant, l’amplitude de la porteuse peut être directement calquée au comportement du signal en bande de base.

La forme la plus simple de l’AM numérique applique la même relation mathématique à un signal en bande de base dont l’amplitude est soit 0, soit 1. Le résultat est appelé « keying on-off » (OOK): lorsque le signal d’information est à zéro logique, la porteuse l’amplitude est nulle (= « off »); lorsque le signal d’information est logique, la porteuse est à pleine amplitude (= « on »).

Modulation de fréquence (FM) et modulation de phase (PM)

FM et PM sont étroitement liés car la fréquence et la phase sont étroitement liées. Ce n’est pas si évident si vous considérez la fréquence comme le nombre de cycles complets par seconde – qu’est-ce que les cycles par seconde ont à voir avec la position de la sinusoïde à un moment donné au cours de son cycle? Mais cela a plus de sens si vous considérez la fréquence instantanée, c’est-à-dire la fréquence d’un signal à un moment donné. (Il est sans aucun doute paradoxal de décrire une fréquence comme instantanée – mais, dans le contexte du traitement pratique du signal, nous pouvons ignorer en toute sécurité les détails théoriques compliqués associés à ce concept.)

Dans une sinusoïde de base, la valeur de la fréquence instantanée est la même que celle de la fréquence «normale». La valeur analytique de la fréquence instantanée apparaît lorsque nous avons affaire à des signaux qui ont une fréquence variant dans le temps, c’est-à-dire que la fréquence n’est pas une valeur constante mais plutôt une fonction du temps, écrite comme ω (t). En tout état de cause, le point important pour notre discussion actuelle concernant la relation étroite entre fréquence et phase est le suivant: la fréquence angulaire instantanée est la dérivée, par rapport au temps, de la phase. Donc, si vous avez une expression φ (t) qui décrit le comportement variant dans le temps de la phase du signal, le taux de changement (par rapport au temps) de φ (t) vous donne l’expression pour la fréquence angulaire instantanée:

ω (t) = dϕ (t) dt

Nous verrons de plus près la modulation de fréquence et de phase plus loin dans ce chapitre. Pour l’instant, concluons avec le graphique suivant, qui applique la relation mathématique de modulation de fréquence aux signaux de bande de base et de porteuse utilisés ci-dessus:

Sommaire

  • La modulation fait référence au processus de modification minutieuse d’un signal existant afin qu’il puisse transférer des informations.
  • Dans le contexte de la RF, le signal existant est appelé porteuse et les informations sont contenues dans le signal en bande de base.
  • Il existe de nombreux schémas de modulation différents, ce qui signifie qu’il existe différentes façons d’incorporer des informations en bande de base dans une onde porteuse sinusoïdale.
  • La modulation implique la modification de l’amplitude, de la fréquence ou de la phase d’une porteuse, et elle peut être utilisée pour transférer des signaux analogiques ou des données numériques.