MODULATION ET DÉMODULATION


MODULATION ET DÉMODULATION
MODULATION ET DÉMODULATION

Pour transmettre entre des points éloignés des signaux (sons ou images, par exemple) dont la portée est très limitée, on utilise, le plus souvent, comme véhicule de liaison, une onde électromagnétique dont on modifie une ou plusieurs caractéristiques en fonction du signal à transporter. Cette combinaison de deux grandeurs, suivant une loi de composition non linéaire déterminée, se nomme modulation . Elle doit permettre la transmission du message entre les points d’émission et de réception et autoriser, sans ambiguïté, sa restitution à la réception.

L’onde porteuse ainsi modulée peut être transmise par câbles (téléphonie) ou rayonnée par une antenne (radiodiffusion, télévision), avec la puissance convenable pour être captée par les postes récepteurs où elle est «démodulée» afin de restituer le signal original de modulation: l’information.

Modulation

Tout signal électrique, d’après sa décomposition en série ou intégrale de Fourier, se ramène à une fonction sinusoïdale du temps (par exemple, un courant alternatif ou un champ électromagnétique) d’expression:

où A désigne l’amplitude, 諸 = 2 神 f la pulsation (f étant la fréquence), et 﨏 la phase. Dans le cas où cette expression représente une onde électromagnétique de fréquence relativement élevée (par exemple, f = 300 000 Hz), et susceptible de se propager à grande distance, on l’utilise pour transmettre le signal de fréquence basse, en faisant varier au rythme de cette basse fréquence soit l’amplitude, soit l’argument de l’expression (1). On obtient soit une onde modulée en amplitude, soit une onde modulée en fréquence ou en phase. La figure 1 représente des modulations d’amplitude et de fréquence telles qu’on peut les observer sur un oscilloscope.

Mais au lieu d’un signal continu, comme dans l’exemple précédent, on peut transmettre une suite discrète de signaux, agissant de façon intermittente sur l’onde porteuse: c’est la modulation par impulsions qui utilise l’une ou l’autre des méthodes précitées.

Ces divers procédés de modulation présentent des caractéristiques différentes, tant pour la qualité de la transmission que pour la complexité du matériel mis en jeu: ils trouveront donc des domaines d’application différents.

Modulation d’amplitude

Si on fait varier l’amplitude A de l’onde porteuse à haute fréquence f = 諸/2 神 en fonction du signal périodique de fréquence basse F = m/ 2 神, l’expression de l’onde modulée en amplitude est de la forme:

k A = S/A désigne le taux de modulation, S étant l’amplitude du signal. Cette équation peut s’écrire:

e qui met en évidence la présence d’une fréquence porteuse f = 諸/2 神 et de deux fréquences de bandes latérales, supérieure (f + F) et inférieure (f 漣 F). L’onde modulée en amplitude peut donc être représentée (fig. 2) par un vecteur porteur OM 轢, d’amplitude fixe A, et par deux vecteurs MB 轢1 et MB 轢2, d’amplitude constante k AA/2, qui tournent autour de M avec les vitesses angulaires uniformes (+ m ) et ( face=F0019 漣 m ), et dont la résultante MRest en phase avec OM 轢. L’amplitude OR du vecteur résultant varie de A(1 漣 k A) à A(1 + k A). Pour le taux de modulation maximal (k A = 1), OR varie de 0 à 2 A: on dit que l’onde porteuse est modulée à 100 p. 100. Les signaux complexes peuvent se décomposer en une somme de signaux simples de fréquences 1, 2, ..., Fn . Le spectre des fréquences comporte alors, de part et d’autre de la porteuse f , deux bandes latérales à fréquences inférieures (f1), (f2), ..., (f 漣 Fn ) et supérieures (f + 1), (f + 2), ..., (f + Fn ).

Si B et H désignent la plus basse et la plus haute parmi ces fréquences Fn à transmettre, le spectre de l’onde modulée (fig. 3) occupe, de part et d’autre de la fréquence porteuse f , deux bandes de largeur (FHB). La largeur de ce spectre dépend donc de la nature des informations à transmettre. Pour des signaux télégraphiques, la bande (FHB) va de 0 à quelques hertz, pour une communication téléphonique de bonne qualité de 250 à 3 500 Hz, pour la radiodiffusion de 50 à 6 000 Hz, et pour la télévision elle couvre quelques millions de hertz. L’onde porteuse f ne contribue donc pas, par elle-même, à l’intelligence du signal et la totalité de l’information est contenue, sans ambiguïté, dans chacune des bandes latérales. On peut donc, afin de diminuer l’encombrement du spectre, ne pas transmettre la porteuse et ne conserver, lors de l’émission, que l’une des deux bandes. Différents circuits permettent de réaliser ces communications dites à bande latérale unique (BLU), dans lesquelles on peut concentrer la puissance sur la bande unique à transmettre. Cela est d’autant plus intéressant que le rendement en puissance de la modulation d’amplitude est faible. La puissance transportée par la porteuse est proportionnelle à la puissance transportée par chacune des bandes latérales et proportionnelle à k A2/4. À 100 p. 100 de modulation, la puissance transportée par une bande latérale est égale au quart de la puissance porteuse.

Bien des procédés permettent d’effectuer la modulation en amplitude, mais tous ont en commun l’utilisation d’un dispositif non linéaire, fonctionnant à l’aide de tubes électroniques et, surtout, de semiconducteurs. Il n’est pas possible d’entrer dans les détails de réalisation des systèmes de modulation, tant ils sont variés. On peut dire, d’une manière très générale, qu’ils comportent des quadripôles dont la bande passante correspond à la largeur de spectre de l’onde modulée, et dont l’amplification (ou l’atténuation) varie au rythme du signal de modulation. Citons la modulation par l’anode utilisée dans les émetteurs de radiodiffusion de grande puissance (500 kW ondes courtes, 25 MHz). Ce procédé demande au tube RF de fournir seulement la puissance de la porteuse, soit un quart de la puissance crête maximale, la puissance correspondant aux bandes latérales étant fournie par le modulateur. Le signal de modulation à basse fréquence (AF), amplifié, est superposé à la tension d’alimentation anodique tandis qu’on excite le tube électronique en RF.

La modulation par la grille ou par la cathode permet de transmettre des bandes de fréquence plus larges, la puissance de modulation étant faible. En revanche, le tube de puissance doit pouvoir fournir la puissance porteuse correspondant aux crêtes de modulation. Les procédés de modulation à faible puissance utilisent aujourd’hui des semiconducteurs qui permettent d’obtenir une grande linéarité du signal modulé dans le cycle de modulation. Des amplificateurs de RF modulée (tubes classiques ou klystrons) permettent ensuite d’obtenir des puissances de 50 kW à 800 Hz.

La modulation d’amplitude, avec porteuse et double bande latérale, est utilisée principalement en radiodiffusion et, dans une certaine mesure, en radiotéléphonie, radiotélégraphie, radiotélémétrie et en télévision avec une seule bande latérale. Elle a pour avantages de conserver la forme d’onde du message et de n’exiger que des récepteurs très simples. Elle consomme beaucoup d’énergie et occupe un spectre de fréquences deux fois plus étendu qu’il n’est nécessaire. La modulation d’amplitude à BLU est utilisée en radiotéléphonie et en radiotélégraphie à grande distance, ainsi que dans les transmissions par câbles sous-marins. Elle réduit au minimum le spectre de fréquences occupé et économise la puissance nécessaire à la transmission, mais elle complique la technique des récepteurs.

Modulation de fréquence et modulation de phase

Il est intéressant de noter que l’étude mathématique de la modulation de fréquence (John Renshaw Carson, 1922) a précédé de beaucoup sa mise en œuvre technique (Edwin Howard Armstrong, 1936) et son exploitation commerciale (États-Unis, 1940). J. R. Carson avait démontré qu’un signal modulé en fréquence occupait, en général, une largeur de bande importante, et on en avait trop rapidement conclu que le procédé n’avait, de ce fait, aucun intérêt pratique. Mais, en 1936, E. H. Armstrong décrivit les circuits spéciaux adaptés à cette technique et en fit ressortir les avantages. Ce procédé, qui permet d’utiliser la largeur de bande allouée à une communication de manière plus rationnelle qu’en modulation d’amplitude, a pour effet d’assurer une meilleure protection contre le bruit: brouillage ou bruit de fond, dans la mesure où il favorise considérablement le signal le plus intense. Il trouve donc des applications aussi bien en radiodiffusion de très haute qualité que dans les liaisons militaires ou civiles de point à point.

On démontre que l’expression d’une onde de haute fréquence f = 諸/2 神, modulée en fréquence par un signal à basse fréquence F = m /2 神, est:

où 諸/m = k f est appelé l’«indice de modulation», la quantité 諸/2 神 représentant l’«excursion de fréquence». Le développement en série de cette expression montre que le spectre d’une onde modulée en fréquence se compose d’une fréquence porteuse et d’une infinité de bandes latérales, situées de part et d’autre de la porteuse et séparées par des intervalles égaux à la fréquence de modulation. Mais les amplitudes de ces bandes latérales convergent rapidement vers 0, à partir d’un rang qui dépend de l’indice de modulation. Lorsque cet indice est faible (k f 麗 1), le développement en série peut se réduire à trois termes:

où l’on peut calculer les valeurs numériques des fonctions de Bessel J0 et J1(k f ) pour chaque valeur de leur argument k f . Cela permet de représenter encore y (fig. 4) par la résultante ORde trois vecteurs: le vecteur porteur OM 轢, d’amplitude J0(k f ), et les vecteurs de modulation MB 轢1 et MB 轢2, d’amplitude J1(k f ), animés par rapport à OMdes vitesses angulaires m et ( 神 漣 m ). La résultante des vecteurs de modulation est en quadrature avec le vecteur porteur et non plus en phase comme dans la modulation d’amplitude. La puissance moyenne reste proportionnelle à A2. Ces représentations aident à comprendre la différence des techniques mises en œuvre dans les circuits.

Si, dans l’expression y = A sin ( 諸t + 﨏), on fait varier l’angle 﨏 avec le signal de modulation à fréquence F = m/ 2 神, en maintenant constantes l’amplitude et la fréquence de l’onde porteuse, on obtient une onde modulée en phase de la forme:

où l’indice de modulation k p , exprimé en radians, mesure le déphasage qui existe, en crête de modulation, entre la phase de l’onde modulée et la phase qu’aurait l’onde porteuse en l’absence de modulation. Dans la modulation de phase, l’indice k dépend seulement de la profondeur de modulation et est indépendant de la fréquence du signal, alors qu’il lui est inversement proportionnel en modulation de fréquence. La comparaison des expressions (4) et (6) montre que la composition des bandes latérales est la même dans les deux types de modulation et que, si les indices de modulation ont même valeur, les amplitudes des fréquences latérales seront aussi les mêmes. On peut passer de la modulation de phase à la modulation de fréquence en rendant, à l’aide d’un circuit approprié, la tension de modulation inversement proportionnelle à la fréquence. C’est pourquoi on ne consacre pas ici une étude plus détaillée à la modulation de phase.

Les procédés de modulation de fréquence sont nombreux; on ne décrira ici que celui qui est couramment utilisé en radiodiffusion. Une grande profondeur de modulation est nécessaire pour profiter des avantages propres à la modulation de fréquence (MF): pour l’obtenir, il faut faire varier directement la fréquence d’un oscillateur libre, en modulant l’un des paramètres de son circuit oscillant. De nombreux dispositifs, par exemple les varactors , permettent d’obtenir ce résultat, et le schéma de montage (fig. 5), très simple, doit s’accompagner de dispositifs relativement complexes pour compenser les éventuelles dérives de fréquence.

La modulation de fréquence (MF) est un procédé plus complexe que la modulation d’amplitude (MA), mettant en jeu des équipements plus coûteux à l’émission comme à la réception. Elle présente cependant de grands avantages dans le domaine de la qualité. Rappelons-en les causes principales: le limiteur du récepteur (cf. Discrimination d’une onde modulée en fréquence) élimine les variations d’amplitude indésirables. Il n’y a pas d’«évanouissements». Les parasites sont éliminés tant que la tension parasite est inférieure à la tension du signal, ce qui est le cas normal; leur influence ne se traduit que par de petits mouvements pendulaires du vecteur résultant, au maximum 1 radian pour 1 500 radians. Le bruit de souffle à la sortie du récepteur est inférieur à celui du récepteur à MA dans un rapport proportionnel à l’indice de modulation (il est de 1 000 à 2 000 fois plus faible). Alors qu’en MA on ne couvre guère que 50-6 000 Hz, la bande AF transmise va de 30 à 15 000 Hz, ce qui est particulièrement avantageux en haute fidélité. Enfin, la distorsion apportée au signal est inférieure à 1 p. 100, et cela rend possible la transmission des programmes en stéréophonie. Toutefois, la MF occupe un spectre de fréquence d’environ 150 kHz, dix fois plus important que celui de la MA, ce qui exige des fréquences porteuses élevées (environ 100 MHz). Ces ondes ont une propagation quasi optique, si bien que la portée des émetteurs est analogue à celle d’un phare; il en faut des dizaines pour couvrir un territoire comme la France, alors que quelques émetteurs à ondes longues suffisent à couvrir l’Europe.

On voit donc quels sont les avantages et quelles sont les limites de la modulation de fréquence et, par conséquent, quelles peuvent être ses applications. Par ordre d’importance économique, on peut citer:

– La radiodiffusion. Il n’est pas inexact de dire que la modulation de fréquence lui a donné un nouvel essor et a fortement contribué au développement de la haute fidélité et de la stéréophonie.

– Les communications multiplex, permettant de transmettre plusieurs centaines de canaux téléphoniques et même de canaux de télévision. Ces «ponts hertziens» remplacent de plus en plus les câbles sous-marins à grande distance, car ils demandent moins de dépenses d’investissement et permettent la traversée de régions inhospitalières. Les liaisons par satellites utilisent toujours la modulation de fréquence, avec de très hautes fréquences porteuses (400 à 20 000 MHz) pour profiter de la directivité de ces ondes.

– Les radiocommunications entre point mobile et point fixe profitent de la protection apportée par la modulation de fréquence contre les parasites et les évanouissements (postes pour la police et les pompiers) et contre le brouillage (postes militaires).

– La radiotélégraphie à grandes distances. Ce procédé de manipulation utilise une fréquence de repos et une fréquence de travail séparées l’une de l’autre par 400 à 1 200 Hz. L’encombrement spectral restreint de ce genre de liaison (qui ne permet pas de transmettre la voix) permet d’utiliser des ondes décamétriques (10 à 30 MHz) et de réaliser des liaisons intercontinentales avec des postes terminaux équipés de téléimprimeurs.

– La mesure des distances, lorsque ces distances deviennent trop faibles pour que le radar à impulsions soit encore utilisable, en particulier pour les mesures d’altitude en cours d’atterrissage: on émet de manière continue une onde dont la fréquence varie linéairement avec le temps; la comparaison entre la fréquence de l’onde émise à l’instant t et celle de l’écho reçu au même instant permet de connaître la distance de l’obstacle. Tous les dispositifs de mise à feu automatique des projectiles font maintenant usage de ces procédés.

Modulation par impulsions

On a examiné divers procédés permettant de transmettre à distance un signal continu qui agit sur une onde porteuse dont il modifie en permanence une des caractéristiques. Le support du signal peut également consister en une suite d’impulsions, initialement périodiques, dont on commande soit l’amplitude, soit la durée, soit la position, ou simplement la présence ou l’absence, ce signal intermédiaire modulant à son tour l’onde porteuse à haute fréquence. Dans tous les cas, la détection de ces impulsions par le récepteur doit permettre de restituer avec exactitude le signal initial.

Toutes les formes de modulation par impulsions transmettent le message de façon intermittente, aussi doit-on lui donner cet aspect avant l’émission; l’« échantillonnage » substitue au signal de modulation continue initial une suite de valeurs instantanées. La figure 6 met en évidence les différents types d’échantillonnage; on voit en 6 a le signal de modulation continue initial, ici une onde sinusoïdale à basse fréquence, et en 6 b la suite d’impulsions périodiques constituant le signal intermédiaire avant modulation. En 6 c, ces impulsions sont modulées en amplitude (IMA) en fonction du signal incident; la courbe enveloppe des impulsions suit la forme du signal. C’est le plus simple des systèmes de modulation par impulsions. Il est souvent utilisé comme étape initiale des autres systèmes. En 6 d, les impulsions sont modulées en durée (IMD): leur durée dépend, à chaque instant, de l’amplitude du signal de modulation. En 6 e, elles sont modulées en position (IMP); elles conservent même amplitude et même largeur qu’en l’absence de modulation, mais se trouvent décalées dans le temps, par rapport à leur position initiale, d’une quantité proportionnelle à l’amplitude du signal. Les différents procédés de modulation par impulsions sont donc caractérisés par la suite des impulsions périodiques (6 b) et par le type d’échantillonnage du signal (6 c à 6 e). Des circuits permettent de passer des IMA aux IMD et des IMD aux IMP.

On démontre que, pour représenter le signal sans ambiguïté et pour pouvoir le reconstituer fidèlement, il suffit d’effectuer l’échantillonnage du signal à une fréquence un peu supérieure au double de la plus haute fréquence caractérisant le signal. Comme la durée des impulsions peut être rendue très faible (1 猪s) par rapport aux intervalles de temps qui les séparent (100 猪s, par exemple), on peut utiliser ces intervalles pour transmettre une ou plusieurs autres impulsions de courte durée, correspondant à un ou plusieurs autres signaux différents: c’est le « multiplexage », qui permet de transmettre un grand nombre de communications simultanées et indépendantes à l’aide d’un seul émetteur. Un autre procédé de modulation par impulsions, plus complexe que les précédents, inventé par H. A. Reeves dès 1939, s’est révélé d’un grand intérêt: la modulation par codage d’impulsions, qui repose sur le fait que des valeurs discontinues peuvent traduire, aussi finement qu’on le désire, les variations continues d’une onde. Selon cette méthode, le signal est encore échantillonné, mais les amplitudes des impulsions d’échantillonnage sont ensuite quantifiées, et les nombres représentant le résultat de la quantification sont traduits en groupe d’impulsions selon un code déterminé.

La figure 7 permet de comprendre ce procédé: si l’on divise en 8 parties égales, par exemple, l’amplitude A maximale, crête à crête, que peut atteindre le signal, on pourra le représenter en remplaçant, à des intervalles de temps égaux, son amplitude par la valeur médiane du pas de quantification le plus proche. On aura ainsi échantillonné le signal en fonction de 8 niveaux quantifiés. Or, la désignation de ces niveaux peut être codée: si on choisit un code d’impulsions où chaque groupe de 3 cases est caractérisé par la présence (ou l’absence) et par la position des impulsions, on forme un système binaire dont la capacité est de 23 = 8 valeurs. En représentant par 1 une impulsion et par 0 son absence, les compositions possibles des groupes de trois impulsions sont en effet: 000, 001, 010, 011, 100, 101, 110, 111, expressions des nombres 0 à 7 en système binaire qui peuvent caractériser les 8 niveaux quantifiés. Il suffit de transmettre ensuite la représentation codée de la courbe, sous forme de groupes de 3 impulsions, pour donner une image du signal continu initial. Mais on peut aisément, par un échantillonnage plus fin, se rapprocher encore plus de la courbe exacte du signal à transmettre: par exemple, un code à 7 impulsions donnera un système de codage binaire comprenant 27 = 128 valeurs, qui permettent de caractériser les variations du signal par 128 niveaux quantifiés, etc.

Les circuits mis en œuvre sont plus complexes que pour les autres types de modulation par impulsions, mais leur efficacité est considérable; la modulation par codage d’impulsions permet, pour chaque voie d’une liaison téléphonique, la transmission de 56 000 impulsions par seconde. En supposant que cette liaison soit utilisée pour transmettre des données numériques, au lieu d’une conversation, elle permettrait d’alimenter 1 000 téléimprimeurs classiques.

La facilité avec laquelle on peut effectuer le multiplexage des impulsions, qui permet de transmettre un grand nombre de communications simultanées, est un avantage commun à tous les systèmes de modulation par impulsions. On peut citer, pour chacun d’eux, les domaines d’application suivants: les impulsions modulées en amplitude sont largement utilisées pour le radar, la radiotélégraphie, la radiotéléphonie et la radiotélémétrie; les impulsions modulées en durée et les impulsions modulées en position permettent, au prix d’un élargissement de la bande de fréquence occupée, d’améliorer le rapport signal/bruit de la transmission. Enfin, la modulation par impulsions codées apporte une protection contre le bruit meilleure que tous les autres systèmes et présente l’avantage de pouvoir être régénérée sans aucune perte de la qualité du signal, étant donné que seule importe la présence de chaque impulsion et non sa forme particulière. C’est ce dernier procédé qui est utilisé, de préférence, pour la transmission des signaux de mesure et de commande dans les engins spatiaux.

Démodulation

Il est impossible d’utiliser directement à la réception l’onde à haute fréquence modulée, à laquelle les appareils électroacoustiques (récepteur téléphonique, haut-parleur, etc.) ne sont pas sensibles. Car, même si l’intensité du courant à haute fréquence (RF) reçu dans le collecteur d’ondes était suffisante, sa fréquence serait beaucoup trop élevée pour faire vibrer la membrane de l’écouteur téléphonique ou du haut-parleur, et même si l’on imaginait une membrane capable de suivre des déplacements aussi rapides, elle n’émettrait que des ultrasons inaudibles et, au surplus, inintelligibles. Il faut donc extraire de l’onde RF modulée le signal transmis; c’est le rôle des circuits de démodulation.

Rappelons que, pour obtenir cet effet, Guglielmo Marconi appliqua aux télécommunications, dès 1896, le principe du cohéreur de Branly, premier dispositif signalant la présence d’ondes RF. On associa ensuite des écouteurs téléphoniques aux détecteurs à galène, jusqu’à ce que l’emploi des tubes électroniques permette de grands progrès techniques et assure un large développement à la radiodiffusion. Enfin, chacun connaît l’extension de l’industrie des récepteurs légers depuis l’avènement commercial des transistors. Mais, quel que soit le dispositif utilisé, tube ou semiconducteur, la fonction de démodulation dépend du procédé de modulation: amplitude, fréquence ou impulsions, choisi pour la transmission du signal. Dans le cas d’une modulation d’amplitude, la démodulation se nomme détection . Elle prend le nom de discrimination dans le cas d’une modulation de fréquence.

Détection d’une onde modulée en amplitude

Comme on le verra par la suite, on doit toujours ramener le procédé de modulation, quel qu’il soit, à une modulation d’amplitude que l’on détecte pour en extraire le signal désiré. La détection est donc commune à tous les procédés de modulation; aussi convient-il d’étudier d’abord ce phénomène.

Une onde modulée en amplitude a une expression de la forme:

où A, 諸 et 﨏 désignent respectivement l’amplitude A, la pulsation 諸 = 2 神 f et la phase 﨏 de l’onde porteuse RF, et où k A et m désignent le taux de modulation k A et la pulsation m = 2 神 F du signal basse fréquence. Le problème consiste donc à extraire de l’onde modulée qui parvient au récepteur le terme en (cos mt ) qui représente le signal, ce qui peut s’effectuer par détection linéaire ou par détection quadratique.

Détection quadratique

Pour isoler un terme en (cos mt ) dans l’expression (2) de l’onde modulée en amplitude, le procédé le plus simple consiste à appliquer cette onde à un quadripôle dont la caractéristique de transfert est quadratique, autrement dit à un circuit à la sortie duquel on recueille une tension contenant un terme en y 2. Il apparaît, à la sortie, des termes à fréquence élevée (f = 諸/2 神, 2 諸/2 神), des termes à fréquence nulle (courant continu), des termes à fréquence du signal (F = m /2 神), ainsi que des harmoniques indésirables. Un dispositif de filtrage convenable et un réglage correct des caractéristiques de la détection permettent de ne conserver que les termes à fréquence F du signal. C’est le principe qu’utilisaient les techniques de transmission en radiotéléphonie ou en radiotélégraphie à leurs débuts (cohéreur de Branly, galène); aujourd’hui encore, c’est le procédé employé pour la détection des très hautes fréquences modulées en amplitude, à l’aide de semiconducteurs, comme le représente schématiquement la figure 8: la tension RF modulée est appliquée au semiconducteur X par l’intermédiaire d’un circuit résonnant accordé sur la fréquence f de la porteuse (ou d’une porteuse intermédiaire dans le cas d’un récepteur superhétérodyne). Les paramètres sont réglés de telle sorte que le courant i traversant le semiconducteur soit une fonction quadratique de la tension qui lui est appliquée. Seule la composante à basse fréquence du courant i peut traverser l’enroulement primaire du transformateur T, les composantes à haute fréquence se trouvant court-circuitées par le condensateur C qui leur présente une impédance extrêmement faible par rapport à celle du primaire du transformateur. En général, la tension de sortie du secondaire du transformateur doit d’abord être convenablement amplifiée pour pouvoir agir ensuite sur les organes d’utilisation.

Détection linéaire

Si l’on considère une large portion de la caractéristique de fonctionnement d’un semiconducteur, la courbe qui relie le courant débité à la tension appliquée à l’entrée présente, en première approximation, l’aspect de la figure 9: tant que la tension n’atteint pas un certain seuil S, dit seuil de conduction, aucun courant ne passe, mais au-delà de ce seuil le courant croît très rapidement. Si l’on fait débiter ce semiconducteur sur une résistance dont la valeur est grande par rapport à sa résistance interne, la tension qui apparaît aux bornes de cette résistance est sensiblement proportionnelle à la tension appliquée au système semiconducteur-résistance. Celui-ci se rapproche du redresseur linéaire idéal, dont la caractéristique se compose d’une partie linéaire limitée à l’origine.

En supposant qu’on applique à ce système une onde modulée en amplitude, le semiconducteur ne conduira le courant que pendant les alternances positives, par exemple, et la tension aux bornes de la résistance R aura l’aspect représenté à la figure 10. Dans ces conditions, l’extraction du signal se ramène à la mesure des amplitudes maximales atteintes par la tension redressée.

La figure 11 donne le schéma d’un dispositif permettant la détection linéaire, à l’aide d’un semiconducteur, d’une onde modulée en amplitude: comme dans le cas de la détection quadratique, l’onde RF modulée est appliquée, par l’intermédiaire d’un circuit accordé sur la fréquence porteuse f , à un semiconducteur X qui ne conduit que pendant une partie du cycle RF. À chaque crête positive de la tension RF d’entrée, le condensateur C se charge à un potentiel voisin de cette tension de crête (fig. 12). Entre les crêtes, une partie de sa charge fuit à travers la résistance R, mais la crête RF suivante le recharge. Il en résulte que la tension de sortie, aux bornes de l’impédance de charge (R, C), reproduit, aux ondulations RF près, l’enveloppe de modulation de la porteuse, à condition que les valeurs relatives de R et de C soient convenablement choisies.

Le signal de modulation peut être transmis au dispositif d’utilisation par le transformateur T (fig. 11). On a utilisé pour les deux dispositifs de détection, quadratique et linéaire, deux schémas aussi voisins que possible pour comparer plus aisément les deux méthodes. Dans le premier cas, les paramètres sont choisis de telle manière qu’on n’explore que la région parabolique de la caractéristique du semiconducteur, celle qui est au voisinage du seuil de conduction S (fig. 9): on travaille donc avec des signaux faibles. Au contraire, dans le second dispositif, on explore profondément la caractéristique du semiconducteur, qui ne laisse passer aucun courant pendant les alternances négatives et qui laisse passer un courant proportionnel à la tension d’entrée pendant les alternances positives: c’est une méthode pour grands signaux. Bien d’autres dispositifs permettent d’obtenir ces deux types de détection. Citons en particulier, comme détecteurs linéaires, les détecteurs à diode et les transistors. Parmi les détecteurs quadratiques, citons les transistors fonctionnant dans une région courbe de leur caractéristique.

Discrimination d’une onde modulée en fréquence

Les récepteurs pour modulation de fréquence comportent les circuits d’amplification et de changement de fréquence habituels aux récepteurs radioélectriques et sont, en général, du type superhétérodyne; leur bande passante doit seulement être suffisante pour admettre toute la partie utile du spectre. Ils ne comprennent que deux circuits caractéristiques de la MF: un limiteur d’amplitude et un discriminateur de fréquence. On a vu, en effet, que l’amplitude de l’onde émise n’avait pas de signification par rapport au signal modulateur: on peut donc la modifier à la réception et, en particulier, la limiter à une valeur constante, ce qui permet d’éliminer les variations d’amplitude dues à la superposition de parasites sur le signal utile. À la sortie du limiteur, on transforme l’onde modulée en fréquence en une onde modulée en amplitude par passage à travers un quadripôle dont l’impédance varie proportionnellement à la fréquence. L’onde modulée en fréquence, à laquelle vient se superposer la modulation d’amplitude ainsi produite, est détectée comme une onde modulée uniquement en amplitude, en employant une des méthodes précédemment exposées. On a imaginé de nombreux circuits dont l’impédance varie linéairement en fonction de la fréquence du signal incident: le plus simple est un circuit résonnant, lorsque la fréquence de travail se situe sur le flanc de sa courbe de résonance (fig. 13). Un discriminateur utilisant un tel circuit pourrait donc avoir un schéma identique à celui des figures 8 ou 11, la fréquence d’accord du récit RF se trouvant réglée au-dessus ou au-dessous de la fréquence de travail. On utilise, en fait, des circuits plus complexes, comme celui de la figure 14, qui présente l’avantage d’une meilleur sensibilité et d’une meilleure linéarité.

Démodulation d’une onde modulée par impulsions

La détection du signal désiré, dans une modulation par impulsions, est, en soi, relativement simple. La partie la plus délicate du processus consiste à isoler chacune des voies du système. Pour cela, il est nécessaire de disposer, dans le récepteur, d’une «porte» dont l’ouverture correspond à l’arrivée de l’impulsion désirée. Sans préciser les détails de réalisation, disons simplement qu’elle est actionnée par une horloge qui ouvre successivement les portes correspondant aux différentes voies, dans l’ordre d’arrivée des impulsions et pendant un temps correspondant à leur durée. Cette opération de « démultiplexage » effectuée, on est en présence d’impulsions, qui peuvent être modulées en amplitude (IMA), en durée (IMD), ou en position (IMP).

Impulsions modulées en amplitude

On peut considérer, du point de vue de la détection, que la modulation d’impulsions en amplitude est analogue à la modulation en amplitude d’une onde RF, la fréquence d’échantillonnage jouant le rôle de la RF: on utilise alors un dispositif de détection linéaire analogue à celui de la figure 11. On doit seulement remarquer que la séparation entre fréquence de modulation F et fréquence d’échantillonnage f E est plus délicate qu’entre fréquence de modulation et haute fréquence, car elles sont relativement voisines (f E 力 2 F).

Impulsions modulées en durée

Pour démoduler des IMD, le procédé le plus simple consiste à les transformer en IMA et à détecter cette modulation d’amplitude. Cette transformation s’opère en appliquant les IMD à un dispositif dont la tension croît proportionnellement au temps pendant lequel chaque IMD lui est appliquée (charge d’un condensateur).

Impulsions modulées en position

La démodulation des IMP s’effectue généralement en les transformant d’abord en IMD. Pour cela, on utilise le front avant de l’impulsion modulée en position pour faire varier la durée d’une impulsion produite par un dispositif auxiliaire, qui engendre luimême des impulsions à la même fréquence dont le front arrière est fixe (multivibrateur déclenché). Ces impulsions sont alors démodulées comme il est indiqué ci-dessus.

Impulsions codées

La démodulation des impulsions codées est sensiblement plus complexe que celle des autres systèmes de transmission par impulsions. On sait que, selon ce procédé, le signal à transmettre est «échantillonné» et que son amplitude instantanée, ramenée à des niveaux quantifiés, est traduite en système binaire et sa valeur transmise à l’aide d’un code d’impulsions. La démodulation consiste donc, d’abord, à transcrire en système décimal les valeurs des amplitudes transmises par code en système binaire. Pour ce faire, une horloge électronique, synchronisée par les impulsions codées, repère la place de l’impulsion codée dans son groupe et l’aiguille vers un dispositif qui peut, par exemple, libérer une charge d’électricité correspondant à la valeur (en système décimal) de l’impulsion considérée. Ainsi, dans le cas d’un code à 16 niveaux quantifiés, représentés par 16 groupes de 4 cases consécutives (où chaque case peut être occupée, ou non, par une impulsion, ce qui représente 24 = 16 possibilités), on dirige, dans chaque groupe, l’impulsion de la quatrième case (si elle existe) vers un dispositif libérant une charge donnée Q, celle de la troisième case vers un dispositif libérant une charge 2 Q, la deuxième une charge 4 Q, et la première une charge 8 Q. Pour chaque groupe de 4 cases consécutives, les charges sont accumulées, par exemple, dans un condensateur, de telle sorte que, le groupe d’impulsions 0010 (nombre 2 en système binaire) libère une charge: 0 + 0 + 2 + 0, soit 2 Q, le groupe 1001 (nombre 9 en système binaire) une charge de: 8 + 0 + 0 + 1 = 9 Q, et le groupe 1111 (nombre 15) une charge de: 8 + 4 + 2 + 1 = 15 Q. Il est facile de recueillir aux bornes du condensateur, pour chaque groupe de 4 impulsions (présentes ou non), une tension proportionnelle à sa charge qui traduit donc en système décimal le niveau codé de l’amplitude instantanée du signal. Cette tension peut régler, par exemple, la valeur d’une impulsion unique déclenchée après l’arrivée de chaque groupe d’impulsions codées. On aura ainsi transformé la modulation par codage d’impulsions en une modulation d’impulsions en amplitude qu’on détecte comme il a été dit précédemment.

On retrouve bien l’avantage du procédé par codage dans lequel le bruit (à condition qu’il ne puisse être pris pour une impulsion du code) ne peut introduire aucune distorsion du signal.

Encyclopédie Universelle. 2012.

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