LES ÉMETTEURS-RÉCEPTEURS DE RADIO MOBILE

1.    LES ÉMETTEURS RÉCEPTEURS DE RADIO MOBILE

Avez-vous jamais souhaité pouvoir parler à quelqu'un qui n'était pas à portée de voix ? Parler à des partenaires à la station de ski ? Ou faire savoir à des amis où vous trouver dans un centre commercial encombré ? Les radios mobiles offrent aux amis et membres de la famille un excellent moyen d'augmenter leur plaisir et leur sécurité en restant en contact pendant leurs déplacements. Elles sont également parfaites pour les affaires, par exemple, pour communiquer entre le bureau et l’entrepôt. Les signaux sont en modulation de fréquence (MF) ce qui veut dire une réception claire, même dans des environnements bruyants et encombrés.

Les émetteurs-récepteurs mobiles sont des appareils sans fil montés sur véhicule qui sont utilisés pour transmettre des messages vocaux ou des données seul à seul ou seul à plusieurs sur les fréquences radio d’une zone locale, d’une ville, d’une province ou d’un État. Ils sont souvent installés sur le tableau de bord d’un véhicule et peuvent être alimentés à partir de sa source d’électricité. Ils sont utilisés par les personnes qui n’ont pas besoin de communiquer à distance de leur véhicule.

Les radios mobiles peuvent être combinées dans un système de communication radio sans fil avec des émetteurs-récepteurs portatifs (appareils sans fil portatifs alimentés par une batterie interne). 

Radius SM50 de Motorola

La petite taille de la SM50 permet de monter cette radio n’importe où dans les véhicules plus petits d’aujourd’hui. Son prix abordable

vous offre le rapport qualité prix dont vous avez besoin, joint à une robustesse sur laquelle vous pouvez compter. La communication est

facile avec la SM50.

Le SM50 fonctionne dans une plage de fréquence de 144 Mhz à 174 Mhz avec une largeur de bande de 20/25/30 Khz.

2.    CODES AUDIOFRÉQUENCES

Le code CTCSS : CTCSS est le sigle de Continuous Tone Coded Squelch System, système de silencieux à tonalités codées. C’est un dispositif très pratique quand on se trouve dans un endroit avec beaucoup de radios. Il agit comme filtre pour les radios qui ne nous intéressent pas. Un récepteur doté de ce système n'ouvrira son squelch pour écouter le message reçu que si la porteuse reçue transporte une des tonalités CTCSS pour laquelle il a été programmé.

Motorola utilise le terme PL (Private Line) ou TPL (Tone Private Line) et Kenwood  QT (Quiet Tone) à la place du terme CTCSS.

Le transmetteur doit être équipé d’un synthétiseur de fréquences pour émettre ces codes et le récepteur doit être équipé d’un filtre et d’un décodeur pour les recevoir et les interpréter.

Lors de la transmission, le code CTCSS module la porteuse à faible niveau (0.5 à 0.75 Khz de déviation ou 10% à 15% de modulation) alors que la voix la module à haut niveau (2.5 Khz à 5 Khz de déviation ou 50% à 100% de modulation). Ces fréquences CTCSS dans ces conditions sont sous le seuil actif de l’amplificateur audio. Elles sont donc inaudibles à l’usager de la radio mais déclencheront le squelch si le récepteur est programmé avec le code envoyé. 

Applications

L'application principale de ce système se situe dans les relais. Un relais en mode veille passera en émission s'il reçoit sur son entrée sa tonalité CTCSS même s'il n'a pas reçu la tonalité d'enclenchement de 1750 Hz ou le code DTMF d'ouverture.

Ce système est aussi utilisé pour faire un appel sélectif dans un système comportant plusieurs mobiles mais ou un seul mobile ou un groupe de mobiles est visé par cet appel.

Exemple : un répartiteur dans une flotte de taxis veut parler à un de ses membres. Il transmettra alors une tonalité sub-audible pendant toute la durée de la communication. Cette tonalité sera décodée par le récepteur du taxi visé et fera enclencher le squelch, le signal sera alors audible au membre concerné par cet appel. Les radios des autres membres qui ne possèdent pas le même code resteront muettes.

Le tableau suivant montre les différents codes CTCSS et leur équivalent Motorola

Le code DCS : DCS est le sigle de Digital Coded Squelch. C’est un système de squelch à tonalités codées numériquement. C’est une application qui vous permet d’ignorer (ne pas entendre) des appels indésirables. Le DCS fonctionne de la même manière que le CTCSS. Les seules différences sont la méthode d’encodage/décodage et le nombre de codes pouvant être sélectionnés. Pour le DCS, il est possible de choisir parmi 104 codes différents (84 pour Motorola : voir tableau ci-après). 

Le silencieux de sous porteuse CTCSS ou le silencieux à code numérique DCS rejette les appels indésirables en provenance d’autres stations.

     Votre radio pourrait être préprogrammée pour travailler en modalité canal par canal, en “Circulation Ouverte” ou en “Appel Sélectif”.

•  CIRCULATION OUVERTE: dans ce cas vous entendrez toutes les communications qui seront transmises sur le canal sélectionné. Lors de la réception d’un signal, votre squelch sera ouvert et vous entendrez le message.

• APPEL SELECTIF  Utilisant le code CTCSS ou DCS (Continuous Tone Code Squelch System – Digital Coded Squelch): c’est un système qui utilise une signalisation particulière (une tonalité sub-audible continue pour CTCSS ou un code digital pour DCS) comme “clef” d'accès pour opérer sur un relais hertzien (encoder) ou pour débloquer le squelch sensible de la radio ou des radios avec lesquelles on veut communiquer. Cette dernière condition permet de partager plusieurs réseaux radio fonctionnant sur la même fréquence. Dans ce cas vous recevrez seulement des messages qui viennent de la part des interlocuteurs qui envoient une signalisation TX adéquate.

 RÉGLAGE DU SQUELCH

Le Squelch est un dispositif qui réduit au silence votre radio quand vous travaillez en modalité de trafic ouvert et qu’aucun signal n’est reçu. Il est très important de le régler pour mettre le niveau minimum qui vous assure un silence stable de l'audio en modalité d'attente. Si le niveau du réglage est trop haut, vous pourrez perdre les signaux faibles.

    Pour ajuster le squelch d’un récepteur:

•  Débrancher l’antenne;
•  Tourner complètement dans le sens antihoraire le potentiomètre de squelch;
•  On entend du bruit blanc; ajuster le volume à une puissance acceptable;
•  Tourner dans le sens horaire le potentiomètre de squelch jusqu’à obtenir le silence.

3.    LA TRANSMISSION

Quand vous avez besoin de transmettre, il faut suivre cette procédure:

a) Assurez-vous que le canal n'est pas occupé autrement vous allez créer une interférence.

b) Appuyez sur la touche PTT (Push To Talk) : la LED d'état s’allumera.

c) Commencez à parler avec un niveau, de voix, normal à approximativement 10 centimètres du microphone (maintenez appuyée la touche PTT).

d) Quand votre message est fini, relâchez le PTT.

e) Ne criez pas ! Les cris n'augmentent pas la distance de transmission, mais au contraire créeront de la distorsion (déformation de la voix).

f) Ne relâchez pas le PTT avant que votre message ne soit terminé et ne parlez pas sans y appuyer dessus, autrement votre message sera “haché.”

RÉGLAGE DE LA PUISSANCE DE TRANSMISSION

Votre radio peut transmettre avec deux niveaux de puissance d'après la distance de votre(os) station(s) interlocutrice(s). Les niveaux Bas (Low) et Haut (High) peuvent être définis par défaut pendant la programmation, cependant nous recommandons, si possible, d'utiliser la puissance basse: ceci augmentera la durée de la batterie et réduira le risque des interférences avec les stations qui n'appartiennent pas à votre réseau de radio qui peuvent partager le même canal que le vôtre.

4.    CARACTÉRISTIQUES DE BASE DES RADIOS DE LA SÉRIE SM

Le tableau suivant montre une liste complète des caractéristiques de la radio de la série SM :

Busy Channel Lockout (blocage du canal occupé)

- S’ajuste lorsque l’option “Rx Squelch Type” est sur TPL ou DPL

- Évite d’écouter les conversations des autres groupes qui utilisent le même canal que le vôtre.

- Empêche de transmettre s’il y a une conversation d’un autre groupe sur le même canal que le vôtre.

Handset (Combiné)

- Met le haut-parleur sur silence quand le microphone est sorti de son clip.

- Active le haut-parleur lorsque le microphone est en place sur son clip.

Local/distance

- Permet à l’utilisateur d’ajuster la sensibilité de la radio et de rejeter les interférences.

- Utiliser “Local” dans un environnement bruyant (ville) pour éliminer les interférences.

- Lorsqu’on se déplace fréquemment entre la ville et la campagne, utiliser les deux canaux sur les mêmes fréquences. Un canal sera programmé sur “Local” et l’autre sur “Distance”, ainsi, il sera facile de permuter de l’un à l’autre.

Mode Name (nom de mode)

Nombre affiché sur la face avant de la radio qui correspond au canal choisi (1 ou 2 pour le SM50).

OPT Button (2 canaux pour le SM50)

- Spécifie l’option choisie lorsque le bouton “Opt” de la face avant est appuyé.

- Talkaround : dans ce mode la fréquence Tx est égale à la fréquence Rx.

- Local / Distance

* La première pression place la radio à “Local” (grandes villes). La led correspondante est allumée.

* La deuxième pression place la radio à “Distance”. La Led “Opt”est éteinte, la sensibilité est plus grande, on peut alors recevoir des signaux plus faibles.

- Selectable H/L : L’opérateur sélectionne la sortie externe.

- None : Désactive cette option.

Power (puissance)

- Ajuste le niveau de puissance pour le canal configuré à “Low” ou à “High”.

Power-Up Mode

 - Indique le mode de la radio à l’allumage.

- Standard : active les codes à la réception.

- Monitor : désactive les codes à la réception.

Time Out Timer

- Limite le temps alloué à une transmission continue (1 à 355 secondes).

- Une tonalité s’entend à la fin du temps alloué.

Tx Inhibit On Busy

- S’ajuste lorsque l’option “Rx Squelch Type” est à CSQ

- Désactive la transmission quand une porteuse est présente dans le canal.

- Une tonalité “Occupé” se fait entendre quand on veut “transmettre”.

Unmute/Mute Type

- Indique le type de silencieux utilisé

- And/Or : nécessite la présence du code et de la porteuse pour écouter la conversation

- And/Std : idem que pour And/Or mais le signal reçu doit être fort pour écouter la conversation

Rx Frequency

- Désigne la fréquence en MHz pour recevoir les messages et les signaux

Rx Squelch Type

- Détermine quel forme de code activera l’audio en réception.

- CSQ pour recevoir toutes les porteuses

- TPL : ce sont des ondes continues qui permettent d’activer l’audio

- DPL : ce sont des codes numériques qui activent l’audio.

Rx Squelch Code

- Code TPL ou DPL programmé dans la radio

- La radio n’active l’audio pour écouter les messages que si la porteuse et le code programmé sont présents.

- Si “Rx Squelch Type” est à CSQ, le “Rx Squelch Code” n’est pas disponible.

Tx Frequency

    - Désigne la fréquence en MHz pour transmettre les messages et les signaux.

Tx Squelch Type

- Détermine quel forme de code sub-audible sera transmis par la radio.

- CSQ, TPL et DPL jouent le même rôle qu’en réception.

Tx Squelch Code

- Code TPL ou DPL transmis par la radio.

- À la réception dans une radio programmée avec un type TPL ou DPL, l’audio ne sera actif que si le code est détecté.

5.    ALIGNEMENT VERSUS CALIBRAGE

Le terme alignement dans le RSS(Radio Service Software) sert à ajuster dans un test de fréquence :

-         La puissance de transmission

-         La déviation

-         l’oscillateur de référence

 

Le calibrage permet d’ajuster la puissance de transmission en 8 points de la bande passante.

Lorsque la radio est calibrée en usine, ses performances sont répertoriées dans le document de spécifications techniques. Normalement aucun alignement et aucun calibrage n’est nécessaire dans aucun champ à l’exception de l’oscillateur de référence car les caractéristiques du cristal se modifient avec le temps. L’amplificateur de puissance et la déviation quant à eux ne se modifient pas avec le temps.

La calibrage n’est nécessaire que si la puissance a varié de plus que 10 % de sa valeur initiale ou qu’une plaquette de la radio a été changée. Mais avant toute chose, s’assurer que l’équipement (antenne, câbles et charge) soit en bon état.

Lorsque vous démarrez votre ordinateur avec la disquette de démarrage de la radio SM50, le menu suivant apparaît à l’écran  

Alignement

L’écran d’alignement montre cinq (5) fonctions disponibles. Pour y arriver, à partir de « MAIN MENU », faire :

Level set adjustment

On peut ajuster le volume, le gain du microphone, la déviation du système et la déviation du PL. Pour y arriver, à partir de « ALIGNMENT MENU », faire :

Transmitter deviation alignment et

reference oscillator Warp adjustment

 

Les écrans sont similaires mis à part que l’un représente l’ajustement de la déviation et l’autre l’ajustement de la fréquence.

À partir de « ALIGNMENT MENU », appuyer sur :

       

Transmitter power alignment 

Dans cet écran, l’échelle représente la puissance de transmission. À partir de « ALIGNMENT MENU », faire :

Squelch coarse adjustment

 

Cet écran sert à l’ajustement grossier du silencieux. À partir de « ALIGNMENT MENU », appuyer sur :

Programmation

 

Pour programmer des paramètres comme la fréquence, le mode, les codes pour appels sélectifs, la puissance etc. , il faut avant tout faire une lecture de ce qui est déjà enregistré en allant au menu GET/SAVE puis READ CODEPLUG.

 

À partir de « MAIN MENU », appuyer successivement sur :

Change/View codeplug

 

Pour changer des paramètres, aller à l’écran suivant où on a trois (3) fonctions disponibles. Dans l’écran « MAIN MENU », presser la touche de fonction :

Radio wide configuration

 

Cet écran permet entre autre de limiter le temps de conversation de l’utilisateur. À partir de l’écran « CHANGE/VIEW », appuyer sur :

Mode configuration

Pour modifier les fréquences, la puissance, les codes, aller à l’écran ci-dessous. À partir de l’écran « CHANGE/VIEW », appuyer sur :

Program data

Une fois les changements faits, programmer la radio à partir de l’écran « MAIN MENU » avec les touches de fonction :

Calibrage

Le calibrage ou « calibration » ne se fait que s’il y a remplacement d’une plaquette (board) ou si la puissance a varié de plus de 10 % par rapport à sa valeur initiale. Pour accéder à l’écran de calibrage, à partir de « MAIN MENU », appuyer successivement sur : 

Board replacement menu

L’écran de calibrage montre deux (2) fonctions disponibles.

Main board replace/Repair procedure

Power amplifier replacement procedure

On accède à cet écran à partir de l’écran « Board replacement menu » en appuyant sur :

Service software configuration

 

Une panne courante : le choix du port de communication.

6. LA MODULATION, ÉMETTEUR ET RÉCEPTEUR

La modulation d'angle

La modulation de fréquence

Génération d'une onde modulée en fréquence

Diagramme spectral d'une onde modulée en fréquence

Largeur de bande d'une tension modulée en FM

Standard de transmission en FM commerciale

Avantages et inconvénients de la FM

Bruit en FM

Effet de capture

Émetteur FM

Récepteur FM

Détecteur FM

1.    LA MODULATION D'ANGLE

Nous savons que la modulation d'amplitude est produite en modifiant l'amplitude Vc d'une sinusoïde {v = Vc sin(ωt + ϴ)}. Nous pouvons aussi moduler l'onde sinusoïdale en variant une des deux autres caractéristiques de l'onde, tout en maintenant l'amplitude constante. Ainsi, une variation de la fréquence w est une modulation de fréquence et une variation de la phase q est une modulation de phase.

Comme nous le verrons ultérieurement, les deux types de modulation sont presque similaires. Elles sont, en fait, toutes deux des modulations d'angle, car les deux affectent l'angle (ωt + ϴ) de la sinusoïde, et ne présentent que quelques différences mineures.

Comparativement à la modulation AM, la modulation de fréquence présente certains avantages: plus grande immunité aux bruits et meilleur rapport signal/bruit. Par contre, comme nous le verrons, la modulation FM demande une bande passante plus large et des systèmes de transmission et de réception un peu plus complexes.

Le premier système de transmission FM fut mis au point par Edwin Armstrong en 1936 dans une tentative de rendre les communications radio plus résistantes aux parasites électromagnétiques et aux bruits. La première transmission commerciale eut lieu en 1939 au New Jersey. Ce type de transmission a connu un certain succès et est utilisée présentement dans presque tous les domaines des communications commerciales. Elle est aussi de plus en plus utilisée parce qu'elle utilise des amplificateurs non linéaires (classe C) donc avec des rendements supérieurs.

2.    LA MODULATION DE FRÉQUENCE

En modulation de fréquence (FM), tout changement de la fréquence porteuse s'appelle déviation et est proportionnel à la valeur instantanée de la tension modulante. La vitesse à laquelle ces déviations de fréquence se produisent dépend de la fréquence de la modulante tandis que l'amplitude de la déviation (DF) dépend de l'amplitude de la modulante.

Modulation de fréquence. 

Le symbole de la déviation de fréquence est ∆F (delta majuscule) et s'exprime en Hertz. La déviation est symétrique d'un côté et de l'autre de la porteuse. Par définition également, les demi cycles positifs de la tension de modulation appliquée à un émetteur FM provoqueront une augmentation de la fréquence (déviation positive) tandis que les demi cycles négatifs provoqueront le contraire (∆F négatif).

Déviation de fréquence en fonction de la modulante 

Pour l'étude de la modulation FM, on définit l’indice de modulation FM comme étant : 

           

            δ              ∆F

m = -------- = ---------

         Fm           Fm

 

La déviation, aussi appelée excursion de fréquence, est la variation de fréquence occasionnée par le signal modulant. Elle correspond à la différence entre Fmax ou Fmin et la fréquence centrale :

∆F = Fmax – Fc

∆F = Fc – Fmin 

L’excursion de fréquence est directement proportionnelle à l’amplitude crête du signal modulant comme le montre la figure précédente.   

Pour mieux comprendre cette analyse, nous allons représenter l'onde sinusoïdale du signal FM par sa représentation vectorielle (figure –a- suivante). Ce vecteur a une amplitude A et une vitesse angulaire ω ( ω = 2 πF). Si la fréquence augmente de ∆F alors le vecteur tourne plus vite. Le vecteur sera donc en avance sur sa position normale (figure b). Si, par contre, la fréquence est diminuée de ∆F alors le vecteur tournera moins rapidement et sera donc en retard sur sa position initiale (figure c). On peut donc constater qu'un changement de vitesse de rotation modifie l'angle de déphasage de l'onde sinusoïdale.

Représentation vectorielle d’un signal FM 

3. GÉNÉRATION D’UNE ONDE MODULÉE EN FRÉQUENCE

La diode à capacité variable CV fait varier la fréquence de l’oscillateur à la fréquence de modulation de 10 Khz. L2 est une bobine d’arrêt RF. Bien que l’oscillateur RF soit accordé sur 100.1 Mhz, on peut faire varier sa fréquence en faisant varier la capacité variable CV. Pour ce faire, on change la polarisation inverse de la varicap. La tension de modulation audio de 10 Khz fait varier cette tension inverse et donc la fréquence de l’oscillateur.

Exemple :

Tension aux bornes de la varicap = 3 V => F = 100.025 Mhz

Tension aux bornes de la varicap = 5 V => F = 100.1 Mhz

Tension aux bornes de la varicap = 7 V => F = 100.175 Mhz

La fréquence de la porteuse RF sans modulation ou lorsque la tension de modulation est nulle est appelée fréquence centrale.

Remarquer qu’on peut régler la variation de la fréquence de l’oscillateur RF à presque n’importe quelle valeur et que cette variation n’est pas une fonction de la fréquence de modulation. Pour la même fréquence de 10 Khz, la fréquence de l’oscillateur local peut varier de ± 10 Khz, ± 20 Khz, ± 25 Khz ou tout autre nombre, selon la tension du signal appliqué au varactor. 

En radiodiffusion FM, l’excursion en fréquence maximale adoptée est de ± 75 Khz qui correspond à un taux de modulation de 100 % (le signal occupe alors une bande de 150 Khz de large). En radio mobile l’excursion maximale est de 5 Khz. 

 

Excursion du signal                Excursion du signal

Taux de modulation en % = ------------------------- = ----------------------------

Excursion maximale                      75 Khz 

Si l’amplitude du signal audio permet une excursion de ± 50 Khz, le taux de modulation est alors de : 

50 / 75 = 0.67 soit 67 % 

En principe la modulation de fréquence se décrit ainsi : soit un signal haute fréquence Fc dont l’amplitude reste fixe, modulé par un signal sinusoïdal de basse fréquence Fm. Quand la tension modulante se met à croître à partir de 0 volt, la fréquence de l’onde porteuse s’élève elle aussi à une valeur supérieure à Fc ; celle-ci revient ensuite à sa valeur initiale lorsque la tension modulante Vm repasse à 0 volt. L’alternance négative du signal modulant entraîne une diminution de la fréquence porteuse. Les demi cycles positifs et négatifs étant de même amplitude, il est évident que les excursions de fréquence inférieure et supérieure à Fc sont de grandeurs identiques. 

Exercice : La fréquence centrale d’une onde modulée en fréquence est 105.3 Mhz. Calculer les fréquences Fmin et Fmax si l’indice de modulation vaut 5 et la fréquence modulante 15 Khz.

 

Solution : trouvons la déviation de fréquence DF = m Fm = 5 x 15 Khz = 75 Khz

Par conséquent :

Fmin = Fc – ∆F = 105.3 Mhz – 75 Khz = 105.225 Mhz

Fmax = Fc + ∆F = 105.3 Mhz + 75 Khz = 105.375 Mhz

 

4.    DIAGRAMME SPECTRAL D’UNE ONDE MODULÉE EN FRÉQUENCE

Le spectre d’une onde modulée en fréquence est beaucoup plus compliqué que celui d’un signal AM.

La modulation d’une porteuse, par une simple modulante sinusoïdale entraîne en effet une infinité de fréquences latérales de chaque côté de la porteuse.

La bande passante requise en FM s’étend donc plus vastement qu’en AM ; elle est théoriquement infinie mais il est heureux que l’amplitude des raies, en s’affaiblissant aux extrêmes, lui marque une limite pratique. Le nombre de raies dont l’amplitude reste considérable ainsi que l’amplitude de chacune dépend de l’indice de modulation. 

 

Le mathématicien et astronome allemand Bessel Friedrich (1784-1813) a appliqué la série du philosophe et économiste Charles Fourier (1772-1837) pour pouvoir connaître la composition spectrale. L’amplitude de chaque raie latérale est donnée par les coefficients de Bessel (Jn) qui varient selon l’indice de modulation m.

Observations :

Bien que semblant complexe, les équations et les tableaux ci-haut nous permettent de tirer les conclusions suivantes:

a) Une émission FM a un nombre théoriquement infini de bandes latérales. Elles sont séparées de la porteuse par un entier de Fm (n x Fm) et sont disposées symétriquement par rapport à celles-ci. Les bandes latérales équidistantes de Fc ont des amplitudes égales, de telle sorte que la distribution est symétrique par rapport à Fc.

b) De façon générale, les coefficients J(n) décroissent lorsque la valeur de n augmente mais aucunement de façon simple comme le graphique des coefficients l'indique.

c) Les coefficients J(n) du tableau #1 représentent une fraction de la tension de la porteuse non modulée.

d) La valeur des coefficients J(n) fluctue alternativement autour de 0 en diminuant graduellement. Comme chaque coefficient J(n) détermine l'amplitude d'une paire symétrique de bandes latérales, ces amplitudes décroîtront, mais seulement au-delà d'une certaine valeur de n.

e) En FM, la puissance transmise demeure constante et ce, peu importe l'indice de modulation. On peut constater que l'addition de tous les carrés des coefficients J(n) générés par un indice de modulation donné égale 1. Une augmentation de l'indice de modulation n'affecte pas la puissance totale, mais bien sa répartition en fréquence. Plus l'indice de modulation est élevé, plus la quantité, de coefficients J(n) significatifs, est importante et plus la bande passante nécessaire à la transmission est élevée.

f) Comme l'indiquent les équations, la bande passante d'une émission FM est théoriquement infinie. Pratiquement, cependant, la bande passante requise ne dépend que des bandes latérales d'amplitude significative (> 0,01 de Vc avant modulation). L'indice de modulation m détermine le nombre de bandes latérales ayant des amplitudes significatives.

g) En modulation FM, l'amplitude de la porteuse (J0) varie en fonction de l'indice de modulation. Elle ne demeure donc pas constante et peut même être égale à 0. Ce qui est normal car, si le nombre, de bandes latérales, augmente et que la puissance doit demeurer constante, la porteuse doit nécessairement diminuer.

Ces sept observations sont fondamentales pour une bonne compréhension de la modulation FM. Étudiez les afin de bien saisir toute leur portée. 

5.    LARGEUR DE BANDE D’UNE TENSION MODULÉE EN FM

La bande passante requise pour une émission FM est déterminée par le nombre de bandes latérales d'amplitude significative.

Par exemple, si ∆F = 75 kHz et fm = 15 kHz, alors m = 5. D'après le tableau #1, le dernier coefficient significatif est J8. Ce qui signifie qu'il y 8 composantes spectrales d'un côté de la porteuse, chacune distante de fm. Comme la composante spectrale est symétrique autour de la porteuse (2 x 8 composantes), la largeur de bande sera de 16 x fm soit 240 kHz (ce dernier résultat s'obtient directement à l'aide du tableau #2). Comme nous pouvons le constater avec le dernier exemple et contrairement à ce que l'on pourrait croire instinctivement, la déviation de fréquence et la largeur de bande ne sont pas identiques. Bien qu'étant en relation l'une avec l'autre le ∆F et la BW sont différentes (dans notre exemple, ∆F = 75 kHz et BW = 240 kHz). Elles sont en relation car la déviation de fréquence (∆F) détermine l'indice de modulation (m) qui lui détermine les composantes spectrales (Jn) qui déterminent la largeur de bande. Il faut se rappeler que la déviation n'est pas la largeur de bande mais influence celle-ci. 

En résumé :

Vm => ∆F=> m => nombre de raies => Largeur de bande

ou => signifie “détermine”

Une autre façon d'expliquer la différence entre la déviation et la largeur de bande est que la déviation représente le changement de fréquence et lors de ce changement de fréquence, il y a une distorsion de la porteuse sous la forme d'un “écrasement” ou d'une “élongation” de la sinusoïde. Ces distorsions génèrent des fréquences supplémentaires.

La largeur de bande du signal FM est la bande de fréquence occupée par toutes ces fréquences supplémentaires générées lors de la déviation de fréquence. Plus la déviation est importante et plus elle se produit rapidement, plus il y a une déformation importante de la porteuse et plus il y a un nombre important de raies supplémentaires.

Les communications FM peuvent donc être catégorisées selon leur largeur de bande (BW = Band Width). Voici quelques transmissions types:

-      Émissions FM à large bande (WideBand = WB)

BW = 200 kHz     ∆F = ± 75 kHz :  Postes commerciaux sur bande 88 MHz à 108 MHz

BW = 50 kHz     ∆F = ±25 kHz :  Signal audio des canaux TV (Standard NTSC = National Television System Committee)

-      Émissions FM à bande étroite (NarrowBand = NB)

BW = 10 kHz     ∆F = ± 5 kHz : Taxi, pompier, police, radioamateur, téléphonie, etc.

Résumons cette matière à l’aide d’un exemple : 

Une tension modulée en fréquence alimente une antenne de 50 ohms. La fréquence porteuse est Fc = 100 Mhz, son amplitude crête avant modulation est de 2000 volts. Le signal modulant est Fm = 5 Khz. L’indice de modulation m = 2. 

En considérant les tableaux #1 et #2 ci-dessus, déterminez : 

1.   La puissance totale transmise

2.   La déviation de fréquence

3.   La largeur de bande

4.   La puissance de chacune des raies

5.   La puissance de la porteuse

6.   La somme des puissances transmises (porteuse et raies)

7.   Comparer les réponses des questions #1 et #6

Remarque : les coefficients J₀, J₁, J₂ etc. représentent le pourcentage d’amplitude, de chacune des raies, par rapport à l’amplitude de la porteuse avant modulation. Exemple : l’amplitude crête de la raie J₀ est 0.22 x 2000 volts = 440 volts.

1. Puissance transmise

P = V² / R , V = 2000 x 0.707 = 1414 volts

P = (1414)² / 50 = 40 KW

2. Déviation ou excursion de fréquence

m = ∆F / Fm => ∆F = m x Fm = 2 x 5 Khz = 10 Khz

3. Largeur de bande

D’après le tableau de Bessel, BW = 8 Fm = 8 x 5 Khz = 40 Khz

4. Puissance de chacune des raies

D’après le tableau, m= 2 => Il y a 4 raies

P1 = V² / R = (0.58 x 1414)² / 50 = (820.12)² / 50 = 13.5 KW

P2 = V² / R = (0.35 x 1414)² / 50 = (494.9)² / 50 = 4.9 KW

P3 = V² / R = (0.13 x 1414)² / 50 = (183.8)² / 50 = 676 W

P4 = V² / R = (0.03 x 1414)² / 50 = (42.42)² / 50 = 36 W

5. Puissance de la porteuse

P0 = V² / R = (0.22 x 1414)² / 50 = (311.08)² / 50 = 1.94 KW

6. La somme des puissances transmises (porteuse et raies)

P = P0 + 2 x (P1 + P2 + P3 + P4)

P = 1.94 KW + 2 x (13.5 KW + 4.9 KW + 676 W + 36 W) =

P = 40 KW

7. Comparer les réponses des questions #1 et #6

#1 P= 40 KW

#6 P= 40 KW

Les résultats en 1 et en 6 sont identiques. 

6.    STANDARD DE TRANSMISSION FM COMMERCIALE

En Amérique du Nord, la bande de fréquence allouée pour la transmission FM commerciale se situe de 88 MHz à 108 MHz. Selon les normes définies par le FCC (Federal Communication Committee) et le ministère des Communications fédéral, chaque porteuse doit être distante de 200 kHz l'une de l'autre, soit 20 fois plus qu'en AM commercial (10 kHz) et doit toujours être un multiple impair de 100 kHz (par ex. 97.7 MHz, 101.1 MHz). Cette large bande passante permet la transmission de fréquences audio de 50 Hz à 15 kHz d'où un meilleur rendu sonore, contrairement au 5 kHz de bande audio du AM. La fréquence de la porteuse doit être constante à ±2 kHz. 

Remarque :

Les stations de radio FM émettent sur les fréquences de la bande 87.5-107.9 MHz appelée bande des Ondes Ultra Courtes OUC (initialement modulation de fréquence). La modulation FM peut être réalisée sur n’importe quelle fréquence donc dans n’importe quelle bande de fréquences. La dénomination française officielle est «bande OUC -Ondes Ultra Courtes ». Le terme «bande FM » trouve son origine dans le fait que les seules radio FM émettaient en VHF-bande II (de 87.5 à 107.9 MHz), et c’est ainsi que cette plage de fréquence est maintenant appelée, de façon inappropriée, «bande FM ».

La largeur de bande utilisée doit être de 180 kHz au maximum. Celle-ci est limitée par des filtres à l'émetteur.

La déviation maximale (∆F max) doit être de ±75 kHz limitant ainsi l'indice de modulation car, rappelons le, 

m = ∆F / Fm  

La majorité des émetteurs commerciaux tendent à obtenir une déviation maximale de ±75 kHz car celle-ci entraînera un maximum de signal à la sortie du récepteur. 

7.    AVANTAGES ET DÉSAVANTAGE DE LA FM

Avantages de la FM

1. La puissance transmise est constante. Tous les étages de l'émetteur peuvent opérer en classe C, d'où une plus grande efficacité. C'est une des principales raisons de sa très grande utilisation.

2. Toute la puissance transmise est de la puissance d'information donc 100% utile.

3. L'information contenue par le signal FM est indépendante des variations d'amplitude qui pourraient survenir lors de la transmission. Donc la FM présente un rapport signal/bruit supérieur à la modulation AM.

Désavantages de la FM

1. La transmission FM commerciale occupe une plus large bande passante (200 kHz) que l’AM. On peut par conséquent placer moins de canaux qu'en AM pour une largeur de bande comparable.

2. Les fréquences auxquelles sont effectuées les émissions en FM (autour de 100 MHz) limite la portée de l'émetteur à la ligne d'horizon. 

8.    LE BRUIT EN FM

La grande supériorité de la modulation FM sur l’AM est son immunité aux bruits. Vous avez sans doute remarqué qu'en FM, il y a peu de bruits “statiques” par rapport à la transmission AM. Ceci s'explique aisément car le bruit influe sur l'amplitude du signal, modifiant ainsi l'enveloppe du signal transmis.

Le signal transmis en FM étant indépendant de l'enveloppe, il n'est donc théoriquement pas dégradé par une quelconque perturbation électromagnétique. De toute façon, dans un récepteur FM, l'amplitude du signal reçu est stabilisée par un limiteur afin d'éliminer toutes modifications d'amplitude dues aux bruits parasites (figure suivante).

Comparaison du bruit en AM et FM 

Bien que l'amplitude du bruit ne semble pas affecter le signal FM, il affecte toutefois la phase du signal reçue, causant une dégradation du signal. En effet, le bruit peut survenir à n'importe quelle fréquence avec n'importe quelle phase et n'importe quelle amplitude. Par contre, la fréquence du bruit qui affectera la porteuse sera près de celle-ci car la sélectivité du récepteur fait en sorte que tout signal près de la fréquence syntonisée est amplifié et que les autres fréquences sont atténuées.

En AM, la probabilité d'influence du bruit a une distribution rectangulaire par rapport à la bande passante du récepteur. Peu importe où la fréquence de bruit apparaît à l'intérieur de la bande passante, l'effet de parasitage au niveau de l'audio sera le même. Par contre, en FM, la probabilité d'influence du bruit a une distribution triangulaire par rapport à la bande passante du récepteur. En effet, plus la fréquence de bruit est éloignée de la porteuse, plus l'effet de parasitage au niveau de l'audio sera important.

Ce phénomène s'explique de la façon suivante. Le signal parasite peut être représenté par un phaseur qui s'additionne aléatoirement à la porteuse FM (figure suivante)

L'addition du bruit à la porteuse entraînera une modification de la phase, donc une modulation PM parasite du signal. Et, qui dit modulation de phase, dit aussi modulation de fréquence. Si la fréquence du bruit est la même que celle de la porteuse, le signal résultant ne sera pas modifié en phase en fonction du temps et aucune déviation indésirable ne sera créée. Si par contre, il existe une différence de fréquence entre la porteuse et le signal de bruit, le vecteur bruit peut se retrouver en rotation de phase par rapport à celui du signal et la résultante subira des variations de phase dans le temps. Plus l'écart entre la fréquence du bruit et la fréquence de la porteuse est important, plus il y aura un changement rapide de phase. 

La déviation supplémentaire causée par le bruit est:

∆F=f x fm

où f est en radian.

Toutefois, cet effet est beaucoup plus faible que celui causé sur l'enveloppe du signal AM. Prenons pour exemple la figure précédente.

Le bruit a une amplitude d'environ le tiers de celui de la porteuse. En AM, cela créerait un rapport signal/bruit de 3:1 (ou 9,54 dB) ce qui est intolérable.

Par contre, en FM, ce même bruit créerait, dans le pire cas, un déphasage de :

F = arcsin (N/S) = arcsin (1/3) = 19,47°

ou 0,339 radians. Avec une fréquence de modulante extrême (15 kHz), nous obtenons une déviation de :

∆F = f x fm = 0,339 radians x 15 kHz = 5.1 kHz 

Nous savons qu'en FM, la déviation maximale permise est de 75 kHz ce qui veut dire que 75 kHz correspond au maximum de signal transmis. Pour ce cas, la déviation parasite de 5.1 kHz correspond donc à un rapport signal/bruit de :

S/N = 75/5. 1 = 14,7 soit S/N = 23,35 dB

Ce qui est nettement supérieur qu'en AM. Il est à noter que le rapport S/N sera d'autant plus avantageux que la fréquence de la modulante sera faible. Avec l'exemple précédent, si la bande passante du signal modulant aurait été limité à 5 kHz, le rapport signal/bruit maximum serait de :

∆F = f x fm = 0.339 x 5 kHz = 1.69kHz

 

Cette caractéristique est largement mise à profit dans les communications FM non commerciales. Les émetteurs utilisent alors une déviation maximale de 10 kHz et une fm maximale de 3 kHz. Ce type de transmission est appelée FM à bande étroite (“Narrowband FM”).

Les fabricants donnent toujours le rapport signal/Bruit de leurs appareils. Plus ce rapport est grand, meilleure est la qualité du son reproduit. Ce rapport est abrégé S/N (Signal/Noise).

9.    EFFET DE CAPTURE

En FM, quand deux émetteurs transmettent avec la même porteuse, le récepteur sera complètement "capturé" par celle de plus grande puissance et l'émission de plus faible puissance sera complètement inaudible. En s'additionnant, les deux signaux modifient l'amplitude du signal reçu. Comme la démodulation FM est indépendante de l'amplitude, l'ajout d'une tension supplémentaire ne dégrade pas l'intelligibilité du signal reçu. Cet effet, aussi appelé principe d'exclusion, ne survient pas en AM, où même avec des écarts de 20 dB, la plus faible des transmissions demeure toujours perceptible.

Cet effet de capture est fort intéressant pour la transmission commerciale mais explique aussi la raison pourquoi la transmission FM n'est jamais utilisée dans les transmissions aéronautiques (bande de 108 Mhz à 136 Mhz) ou navales. Dans ces bandes, pour des raisons de sécurité, toutes les transmissions se font obligatoirement en AM afin qu'un émetteur plus faible ne soit pas exclu de la réception. (Signal/Noise).

Amélioration du rapport S/N

Nous avons vu que l'influence du bruit est proportionnelle à la fréquence de la modulante (∆F parasite = f x fm). Autrement dit, le rapport signal/bruit se dégrade proportionnellement avec la fréquence modulante. Afin d'établir un rapport signal/bruit le plus constant possible, on renforce volontairement l'amplitude des hautes fréquences de la modulante et ce, à partir d'une certaine fréquence. Cette technique se nomme la pré-accentuation (“preemphasis”) ou tout simplement accentuation (“emphasis”).

Les standards d'accentuation sont désignés par la constante de temps du filtre passe-haut qui réalise cette pré-accentuation.

Connaissant la constante de temps, il est alors facile de trouver la fréquence de coupure du filtre :

F coupure = 1 / 2π(RC)    donc   1 / 2π(75ms) = 2122 Hz

et 1 / 2π(50ms) = 3180 Hz

Effet de l’accentuation et de la désaccentuation

o        Émission sans accentuation

 

 

o             Émission avec accentuation

 

10.    ÉMETTEUR FM

Dans un émetteur de radio mobile, l’information ou le message (parole) sera codée, puis véhiculée, par l’intermédiaire d’un canal de transmission (l’espace), vers le destinataire où le message sera décodé à la réception.

Le codage ou modulation est l’opération qui consiste à transformer le message en un signal dont les caractéristiques sont adaptées au canal de transmission.

En radio mobile, le signal basse fréquence (f ≤  3400 Hz) est le message à envoyer, les ondes hautes fréquences qui peuvent se propager dans l’espace libre jouent le rôle de porteuses (véhicules).

Microphone: c’est un convertisseur d’un signal acoustique en un signal électrique;

Étages Amp. audio: ce sont des amplificateurs qui permettent d'augmenter le niveau du signal basse fréquence pour permettre au modulateur de faire son travail;

Oscillateur RF: il fournit le signal haute fréquence qui va servir de porteuse au signal audio ;

Modulateur FM: il transforme le message de sa forme originelle (basse fréquence) en une forme adaptée à la transmission (haute fréquence);

Ampli de puissance : il amplifie sans distorsion le signal modulé (porteuse et message utile).

Résumé :

• L'émetteur radio génère une tension alternative haute fréquence, l'amplifie et émet ce signal amplifié vers des points éloignés au moyen d'une antenne d'émission: on appelle ce signal une “onde porteuse”.

• Cette onde porteuse en elle-même ne contient pas de message intelligible. Il faut donc la moduler par un signal utile ou message que l’on récupérera à la réception.

• La modulation peut être définie comme un processus par lequel le message est transformé de sa forme originelle à une forme adaptée à la transmission. Ce processus peut être réalisé en utilisant une porteuse à haute fréquence dont les paramètres varient en fonction du message à transmettre.

• Le message utile est couramment appelé “signal modulant”.

11.    RÉCEPTEUR FM

Le récepteur radio a pour fonction de:

• Capter les signaux transmis à l'antenne. Les signaux qui arrivent au récepteur sont des ondes porteuses électromagnétiques, émises par un émetteur. Lorsque ces ondes rencontrent l'antenne de réception, elles y provoquent un faible courant. La fréquence et l'amplitude de ce courant varient suivant le signal émis par l'antenne d'émission.
• Choisir le signal voulu. Les signaux d'un grand nombre d'émetteurs atteignent l'antenne de réception. Le récepteur doit sélectionner le signal voulu. Chaque émetteur émet sur une fréquence différente de celles des autres émetteurs, tandis que le récepteur contient des circuits qui sont réglés sur la fréquence que l'opérateur veut recevoir. Toutes les autres fréquences sont rejetées.
• Amplifier ce signal haute fréquence. Les courants captés par l'antenne sont extrêmement faibles. Pour amplifier ces signaux faibles avant qu'ils n'arrivent au détecteur, on se sert d'amplificateurs haute fréquence (ampli RF « Radio Fréquence » et amplis IF « Fréquence Intermédiaire »).
• Détecter ou démoduler le signal de la porteuse. Dans un récepteur, le dernier amplificateur haute fréquence est suivi d'un étage détecteur. Celui-ci a pour fonction de convertir les variations de fréquence en variation d’amplitude.
• Amplifier le signal acoustique. Dans un récepteur radio, le signal de basse fréquence obtenu à la sortie du détecteur doit être amplifié jusqu'à ce qu'il soit suffisamment fort pour faire fonctionner des écouteurs ou un haut-parleur et qu'il devienne ainsi audible.

Tout bon récepteur doit posséder les qualités suivantes:

• Sensibilité qui est la faculté qu'a ce dernier d'amplifier des signaux recueillis à l'antenne. On peut définir la sensibilité comme la capacité du récepteur de capter des signaux faibles, de les amplifier et de fournir des signaux de sortie utilisables. 
• Sélectivité qui est la capacité d'un récepteur de sélectionner le signal voulu et de discriminer tous les autres signaux. La sélectivité d'un récepteur reflète la capacité qu'a ce dernier de mieux isoler une émission parmi tant d'autres.
• Le rapport signal sur bruit gagnera à être aussi élevé que possible.

L’amplificateur RF

Le premier étage est un amplificateur RF destiné à amplifier le signal reçu mais aussi à maintenir le rapport signal / bruit constant. L’ampli RF est généralement un amplificateur à faible bruit et c’est le cas des amplificateurs à transistor FET.

Oscillateur local et mélangeur

• Un oscillateur local produit une fréquence Fo qui interfère avec la fréquence reçue Fc. Le signal résultant de ce mélange est complexe et comprend les fréquences Fc, Fo, Fo-Fc, Fo+Fc et de nombreux harmoniques. La cause est la non linéarité de la caractéristique de la jonction base émetteur du mélangeur.

Le changement de fréquence est une opération fondamentale en radiocommunications. Elle consiste à translater le spectre d'un signal, sans en altérer le contenu, vers une fréquence plus basse afin de le traiter plus facilement (down conversion).

Dans la radio SM50, il y a deux changements de fréquence. La deuxième IF est de 455 KHz

Les amplificateurs IF sont faciles à réaliser. Leur amplification est importante et uniforme quelle que soit l’onde reçue.

La commande automatique de gain (AGC)

Le champ recueilli par l’antenne peut varier dans des proportions considérables pour plusieurs raisons :

- L’évanouissement dû, par exemple, au passage d’un avion à proximité de l’antenne de réception, l’avion jouant alors le rôle d’écran;

- Des causes atmosphériques (cas de réception à longue distance);

- Des postes émetteurs puissants ou rapprochés etc.

Afin d’éviter à l’utilisateur d’avoir à retoucher constamment les réglages, on doit prévoir une commande automatique de gain qui a pour rôle de maintenir à la sortie du détecteur (démodulateur) un signal aussi constant que possible malgré les variations du signal d’antenne.

Silencieux (Squelch)

Fondamentalement le Squelch est un système qui “coupe” l’ampli audio lorsque le signal reçu sur l’antenne est inexistant ou n’atteint pas une valeur suffisante.

12.      DÉTECTEUR FM 

o    Discriminateur de Foster-Seeley : un discriminateur de Foster-Seeley transforme les variations de fréquence en variations d’amplitude. La tension de sortie est recueillie aux bornes de R2 et R3

 

Voyons comment se comporte le circuit à l’aide du schéma simplifié suivant.

 

La tension au primaire est Vp ; les tensions qui apparaissent entre le point milieu et les extrémités du secondaire sont égales et de signes opposés lorsque la fréquence est Fo

La tension de sortie est prise entre la masse et les résistances R2 et R3. On prend ici donc la différence de tension entre e1 et e2. Le circuit L1, C1 est accordé sur 10.7 Mhz, de même que le circuit L2, C2. Si on fait varier la fréquence, les deux circuits se trouvent désaccordés. En conséquence, le déphasage n’est plus de 90^o mais de (90^o + f) ou de (90^o - f).

 0 mV => déviation = 0 Khz => F = 10.7 Mhz

5 mV => déviation = - 37.5 Khz => F = 10.6625 Mhz

10 mV => déviation = - 75 Khz => F = 10.625 Mhz

5 mV => déviation = - 37.5 Khz => F = 10.6625 Mhz

0 mV => déviation = 0 Khz => F = 10.7 Mhz

- 5 mV => déviation = - 75 Khz => F = 10.7375 Mhz

- 10 mV => déviation = + 75 Khz => F = 10.775 Mhz

- 5 mV => déviation = - 75 Khz => F = 10.7375 Mhz

0 mV => déviation = 0 Khz => F = 10.7 Mhz 

o    Discriminateur de Travis : le primaire du transformateur induit une f.e.m. dans les deux secondaires : l’un est accordé sur une fréquence un peu supérieure à la fréquence porteuse et l’autre sur une fréquence un peu inférieure. Dans ces conditions lorsque la ddp aux bornes de R1 aura un certain sens, celle aux bornes de R2 aura un sens inverse et la ddp totale sera la somme algébrique de ces deux tensions ; elle dépendra de la valeur de la déviation de fréquence.

 

 

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