Radio - Tout savoir !

Types de modulation du signal
Types de modulation du signal

Radio

Le fonctionnement d'une radio peut être décrit en plusieurs étapes. Un micro reçoit la voix qu'il transforme en signal électrique. Le signal est ensuite traité par des éléments de l’émetteur à travers plusieurs étapes, et est reconduit vers l’antenne-émetteur via un câble.

Ce même signal est converti par l’antenne-émetteur en ondes électromagnétiques qui seront envoyées vers une antenne-récepteur. Les ondes électromagnétiques issues de la transformation du signal électrique produit par le micro se déplacent à la vitesse de la lumière, se reflètent sur l'ionosphère pour aboutir à une antenne-récepteur.
Des relais terrestres sont utilisés pour que les ondes parviennent aux récepteurs situés loin de l’émetteur. Des satellites peuvent également être utilisés.

Une fois les ondes électromagnétiques parvenues au récepteur, l’antenne-récepteur les transforme en signal électrique. Ce signal électrique est alors transmis au récepteur via un câble. Il est ensuite transformé en signal sonore par les éléments du récepteur.
Le signal sonore ainsi obtenu est restitué par les haut-parleurs sous forme de sons.

Emetteur et récepteur

l’émetteur est un dispositif électronique. Il assure la transmission des informations en émettant des ondes radioélectriques. Il comprend essentiellement trois éléments que sont le générateur d’oscillation qui assure la conversion du courant électrique en oscillation de fréquence radioélectrique,
le transducteur qui assure la transmission de l’information à travers un microphone, et l’amplificateur qui selon la fréquence choisie, assure l’amplification de la force des oscillations.

Le récepteur sert à capter les ondes émises par l’émetteur. Il est composé de plusieurs éléments que sont l’oscillateur qui s’occupe du traitement du signal entrant et celui sortant, l’amplificateur qui procède à l’amplification des signaux électriques captés,
le démodulateur qui assure la retransmission exacte du son original, les filtres qui assurent l’élimination des signaux susceptibles de gâcher la bonne perception des messages, et le haut-parleur qui sert à convertir les signaux électriques en messages-sons pour qu’ils soient perçus par l’homme.

Rappels sur différents modes de transports des ondes

Porteuse HF

On entend parfois parler de "porteuse" (carrier en anglais) ou "porteuse HF" sans trop savoir de quoi il s'agit. Une porteuse est simplement un signal qui sert de support pour transporter le signal utile (celui qu'on veut transmettre tel que voix, musique, données analogiques ou numériques).
Quand on reste dans le domaine des transmissions analogiques, la porteuse est un simple et unique signal sinusoïdal. Dans le domaine de la diffusion numérique (TNT et RNT par exemple) on dispose d'une multitude de porteuses qui se partagent les informations à transmettre.
Nous ne parlerons pas ici du cas de ces multi-porteuses. La particularité d'une porteuse est d'osciller à une fréquence bien plus élevée que la fréquence maximale du signal à transmettre. Supposons que l'on veuille transmettre un discours parlé ou chanté sur 10 km à la ronde (ou à la noire si l'orateur parle vite).
On utilise un émetteur unique qui "émet des ondes" que plusieurs récepteurs peuvent capter simultanément.

Mais la physique ne s'invente pas. Si on veut transmettre la voix de l'orateur en se contentant de raccorder en sortie d'amplificateur BF une boucle filaire ou une immense antenne, ça fonctionnera mais pas très loin (compter quelques mètres voire dizaines de mètres ).
Pour que la transmission puisse se faire sur une distance confortable, il faut utiliser une onde porteuse qui sert d'intermédiaire et qui elle a moins de mal à franchir les distances. Le choix de la fréquence de cette onde porteuse dépend :

- du type d'information à transmettre (voix radio info ou télé numérique HD),

- des performances attendues;

- de la distance que l'on veut parcourir,

- du relief du terrain entre émetteur et récepteur (à partir de 50 MHz, les ondes se propagent de plus en plus en ligne droite et craignent les obstacles),

- du prix que l'on accepte de payer à son fournisseur d'électricité ou à son revendeur de piles,

- des autorisations que les autorités compétentes veulent bien nous accorder.

Car vous imaginez bien les problèmes des ondes qui s'entrechoquent si personne ne venait mettre un peu d'ordre là-dedans ! Tout cela est très réglementé, et des plages de fréquences ont été réservées pour tel ou tel type de transmission (CB, radiodiffusion, télévision, téléphones portables, radars, etc.).
En plus de ces réservations de plage de fréquences, des caractéristiques techniques assez sévères sont demandées aux circuits émetteurs pour limiter au maximum les risques de brouillages avec d'autres équipements qui ne fonctionnent pas forcement dans les mêmes plages de fréquence.
Deux circuits émetteurs voisins qui travaillent à des fréquences très élevées et proches l'une de l'autre peuvent très bien brouiller un récepteur travaillant dans une plage de fréquence bien plus faible. Surtout vrai si les appareils sont faits maison et qu'ils sont insuffisamment filtrés en sortie HF.
Bref, avant de s'aventurer dans le domaine de l'émission, mieux vaut avoir quelques connaissances sur les risques de brouillages encourus.
Transmission en modulation de fréquence
Transmission en modulation de fréquence

Transmission en modulation de fréquence (FM)

Dans ce mode de transport, on dispose d'une porteuse dont l'amplitude reste constante quelque soit l'amplitude du signal modulant. Au lieu de modifier l'amplitude de la porteuse, on modifie sa fréquence instantanée. En absence de modulation (amplitude du signal modulant égale à zéro), la fréquence de la porteuse reste à une valeur parfaitement définie et stable, que l'on appelle fréquence centrale.
La valeur du décalage de la fréquence de la porteuse dépend de l'amplitude du signal modulant : plus l'amplitude du signal modulant est grande et plus la fréquence de la porteuse s'éloigne de sa valeur d'origine. Le sens du décalage de la fréquence dépend de la polarité de l'alternance du signal modulant.
Pour une alternance positive la fréquence de la porteuse est augmentée, et pour une alternance négative la fréquence de la porteuse est diminuée. Mais ce choix est arbitraire, on pourrait très bien faire l'inverse ! La quantité de variation de la fréquence porteuse est appelée excursion de fréquence.
L'excursion maximale de fréquence peut prendre différentes valeurs, par exemple +/-5 kHz pour une fréquence porteuse de 27 MHz ou +/-75 kHz pour une fréquence porteuse de 100 MHz.
Les graphes suivant montrent un signal modulant de fréquence fixe 1 kHz modulant une porteuse de 40 kHz (l'échelle horizontale est bien dilatée pour mieux voir ce qui se passe sur l'ensemble des variations).

Signal audio réel

Si on remplace le signal modulant fixe de 1 kHz par un signal audio réel, voici ce que cela donne.
Ce deuxième ensemble de courbes est assez parlant, en tout cas pour la courbe verte pour laquelle l'excursion maximale de fréquence est bien nette car "bien réglée". Si on fait la correspondance entre signal modulant (courbe jaune) et porteuse modulée (courbe verte), on voit parfaitement que les variations d'amplitude de la porteuse sont plus lentes
- ce qui correspond bien à une fréquence plus faible - quand le signal modulant est à sa valeur la plus basse (crête négative).
A l'opposé, la fréquence maximale de la porteuse est obtenue pour les crêtes positives du signal modulant (un peu moins facile à voir sur les courbes, mais on le sent avec les parties les plus "remplies").
En même temps, l'amplitude maximale de la porteuse reste parfaitement constante, on n'a pas de modulation d'amplitude liée au signal source modulant.
Un récepteur radio peut être simple
Un récepteur radio peut être simple

Réception

Pour faire un récepteur FM, on peut s'en sortir avec quelques transistors ou avec un seul et unique circuit intégré (un TDA7000 par exemple). Mais dans ce cas on obtient une qualité d'écoute standard. Pour une écoute "haut de gamme", il faut mettre le paquet et bien connaître le sujet. Et c'est encore plus vrai quand il s'agit de décoder un signal audio stéréo.
Et oui, sans décodeur stéréo, on dispose d'un signal mono où les voies gauche et droite sont mélangées (si la diffusion du programme radio est assurée en stéréo bien sûr). D'un point de vue haute fréquence, le signal source ne se voit pas dans l'amplitude de la porteuse et on ne peut pas se contenter d'un redresseur / filtre comme celui employé dans un récepteur AM.
Le signal utile étant "caché" dans les variations de fréquence de la porteuse, il faut trouver un moyen de transformer ces variations de fréquence en variations de tension, procédé inverse (miroir) de celui utilisé à l'émission.

Le système qui assure cette fonction s'appelle un discriminateur FM et à la base se compose d'un circuit oscillant (et résonnant) dont la réponse fréquence / amplitude à la forme d'une "cloche". Pour la fonction de discrimination, on peut utiliser des composants discrets (petits transfos, diodes et condensateurs) ou un circuit intégré spécialisé (SO41P par exemple).

Transmission en numérique

Dans son application la plus simple, une transmission numérique donne à la porteuse la possibilité d'avoir deux états possibles qui correspondent à un état logique haut (valeur 1) ou un état logique bas (valeur 0).
Ces deux états peuvent être identifiés par une amplitude différente de la porteuse (analogie évidente à faire avec la modulation d'amplitude), ou par une valeur différente de sa fréquence (modulation de fréquence).
En mode AM, on peut par exemple décider qu'un taux de modulation de 10% correspond à un état logique bas et qu'un taux de modulation de 90% correspond à un état logique haut.

En mode FM, on peut par exemple décider que la fréquence centrale correspond à un état logique bas et qu'une excursion de fréquence de 10 kHz correspond à un état logique haut.
Si on veut transmettre un très grand nombre d'informations numériques en un temps très court et avec une forte protection contre les erreurs de transmission (détection et correction d'erreurs évoluées), on peut émettre en même temps plusieurs porteuses et non plus une seule.
Par exemple 4 porteuses, 100 porteuses ou plus de 1000 porteuses.
C'est ce qui se fait pour la télévision numérique terrestre (TNT) et pour la radio numérique terrestre (RNT), par exemple.

Dans d'anciennes télécommandes pour modèles réduits, on pouvait faire appel à une fonction de transmission numérique fort simple : activation ou désactivation de la porteuse HF de l'émetteur, avec un récepteur qui détectait simplement la présence ou l'absence de la porteuse (sans porteuse on avait beaucoup de souffle donc "BF" de volume important,
et en présence de porteuse le souffle disparaissait on le signal "BF" disparaissait).
Dans d'autres types de télécommande, on mettait en oeuvre un principe de "proportionnalité" qui permettait de transmettre plusieurs informations à la suite, en utilisant simplement des monostables produisant des créneaux de durée variable. La durée des impulsions reçues correspondait alors à des valeurs "numériques" bien précises.

Transmission de voix ou de musique

La transmission de la parole ne requiert pas une grande qualité sonore, tant qu'il est question de véhiculer un message d'information. Le principal est qu'on comprenne ce qui est dit. En revanche on attend plus de la qualité de transmission quand il s'agit de la voix d'un chanteur ou de musique.
C'est pourquoi les procédés de transmission utilisés pour une paire d'interphones ou de talkie-walkie et ceux utilisés pour la radiodiffusion ne s'appuient pas sur des règles rigoureusement identiques. On ne peut pas affirmer qu'on dispose d'un son forcement meilleur avec une transmission en modulation de fréquence que celui transmis en modulation d'amplitude (MA en français, AM en anglais).
Même s'il est évident que votre tuner hifi donne de meilleurs résultats sur la bande FM 88-108 MHz. Si on le veut, on peut faire assez bon en AM et on peut faire très mauvais en FM. Tout comme on peut faire du très bon en audio analogique et du très mauvais en audio numérique.
Si vous désirez transmettre de la musique d'une pièce à une autre de votre maison ou du garage au jardin, vous pouvez construire un petit émetteur radio qui peut émettre sur la bande FM ou sur la bande des petites ondes (PO en français, MW en anglais), dans ce cas un récepteur du commerce peut faire le complément.
En FM vous obtiendrez de meilleurs résultats sonores, par le simple fait que les normes de diffusion prévoient une bande passante bien différente que celle disponible dans les bandes AM (GO, PO et OC). La sensibilité plus élevée d'un récepteur AM aux parasites ambiants (atmosphériques et industriels) y est aussi pour beaucoup.

Transmission de données analogiques "lentes"

Là, il s'agit de transmettre une valeur analogique telle qu'une température, un courant, une pression, une quantité de lumière, etc., qui sera tout d'abord transformée en préalable en une tension continue qui lui est proportionnelle.
Il existe plusieurs méthodes et bien entendu chacune a ses avantages et inconvénient, on peut tout à fait faire appel à une modulation d'amplitude ou à une modulation de fréquence. Le terme modulation d'amplitude ou modulation de fréquence est quelque peu exagéré vu que si la valeur analogique à transmettre ne varie pas,
la porteuse conserve ses caractéristiques d'amplitude et de fréquence qui correspondent à la valeur à transmettre en cours. Mais il faut bien parler de la grandeur qui varie. Dans les faits, il n'est pas plus difficile de transmettre une information qui varie peu (voire pas du tout) qu'une information qui varie rapidement.
Mais on ne peut pas toujours utiliser un émetteur radio AM ou FM classique (disponible dans le commerce tout fait ou sous forme de kit) car ce dernier peut très bien posséder un filtre passe-bas en entrée qui limite justement les variations lentes de tension.

Et si dans le trajet du signal d'entrée est implanté un condensateur de liaison, alors l'opération est tout bonnement impossible ! La modification d'un tel émetteur pour le rendre "compatible" n'est pas forcement toujours évidente...
ce qui peut impliquer la conception d'un ensemble émetteur / récepteur spécialisé pour l'opération.
Mais si on regarde le problème de côté, on se rend compte que l'on peut très bien transmettre un signal dont l'amplitude, dépendante de la valeur de la tension continue à transmettre, fait lui-même varier la porteuse. Et si le signal modulant intermédiaire est compris dans la bande audible (par exemple entre 100 Hz et 10 kHz), alors on peut à nouveau envisager sereinement l'emploi d'un émetteur radio classique.

Vous l'avez compris, un simple convertisseur tension / fréquence côté émission et son complément convertisseur fréquence / tension côté récepteur est une solution parmi d'autres exemples.

Transmission de données numériques

Attention de ne pas confondre "transmission en numérique" et "transmission de données numériques". On peut transmettre des informations analogiques avec un mode de transmission numérique, tout comme on peut transmettre des données numériques avec un mode de transmission analogique même si pour ce second cas on peut en discuter.
Pour transmettre des données numériques avec un mode de transmission analogique, on peut faire comme si les niveaux électriques des signaux numériques correspondaient au minima et maxima d'un signal analogique.
Attention cependant à la forme des signaux numériques, qui s'ils sont rapides et de type carrés, peuvent contenir un fort taux d'harmoniques pas forcement digérable par l'émetteur.
Il peut être nécessaire de transmettre les données numériques avec des signaux ayant une "forme analogique" telle que sinus . Si les données numériques à transmettre ont une grande importance (accès sécurisé avec code d'accès par exemple), il faut prendre quelques précautions.

Dans aucun cas en effet on ne peut considérer que la transmission d'un point à un autre sera exempte de défaut, et une partie de l'information transmise peut très bien ne jamais arriver ou arriver déformée et inexploitable.
L'information transmise peut donc être complétée par des informations de contrôle (CRC par exemple) ou tout simplement être répétée deux ou trois fois de suite.
https://onde-numerique.fr/la-radio-comment-ca-marche/

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