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Manneville, esquieu


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MP28 : Télécommunications : mise en forme,

transport et détection
MANNEVILLE, ESQUIEU , Electronique : Systèmes bouclés linéaires de communication et de filtrage, Dunod (2001)

DUFFAIT, Expériences d’électronique à l’agrégation, Bréal (1999)

DESTOMBES, BOUTOILLE, Electronique : Manipulations et simulations Tome 2, Dunod (2001)

MAHLKE, GÖSSING, Câbles à fibres optiques, Siemens Teknea (1989)
On peut transmettre une information à distance, sans transport de matière, en modulant une onde électromagnétique, lumineuse ou hertzienne qui se propage d’un émetteur à un récepteur.

Les différents messages à transmettre peuvent appartenir à des gammes de fréquences qui peuvent être très différentes :

* voix 300 à 3000 Hz

* téléphonie 16 Hz à 20 kHz

* signal de télévision 30 Hz à 6 MHz

Quatre types de canaux sont actuellement utilisés pour le transport de ces messages :

les canaux hertziens (> 100 kHz), les câbles et les lignes (qques Hz à qques GHz), les guides d’ondes et satellites (~ 1 GHz), les fibres optiques (> 100 THz)

Pour envoyer un message, il y a nécessité de l’amplifier par modulation à l’aide d’un signal porteur afin de l’adapter au canal. Et à la réception, il faut effectuer l’opération inverse : la démodulation.

Il existe différents types de modulation (d’amplitude, de fréquence, de phase) mais j’ai fait le choix de ne traiter ici que la modulation d’amplitude pour pouvoir approfondir chaque point la concernant.
I – Modulation d’amplitude

1. Principe – Montage

2. Taux de modulation

3. Spectre en fréquence du signal modulé en amplitude

II – Transport : Transmission par fibre optique

III – Détection de l’information : la démodulation


  1. Détecteur d’enveloppe

  2. Détection synchrone

  3. Boucle à verrouillage de phase (PLL) : Récupération de la porteuse


I – Modulation d’amplitude




      1. Principe – Montage

La modulation d’amplitude consiste à modifier l’amplitude d’une onde porteuse de très grande fréquence par le signal à transmettre auquel est ajoutée une tension continue ou OFFSET.


Pour obtenir un signal modulé, on va combiner les 2 ondes comme décrit ci-après :

sc(t) est le signal de la porteuse et est de la forme : sc(t) = Ac cos ( 2 F t )
sm (t) est le signal modulant et n’est pas forcément sinusoïdal mais sur un intervalle de temps détermine, on peut le décomposer en une somme de fonctions sinusoïdales suivant une décomposition en série de Fourier, on prendra ici : sm (t) = Am cos ( 2 f t ).

Dans le cas de la modulation d’amplitude, on ajoute une tension continue notée Uo appelée tension de décalage ou offset.


On obtient alors en sortie du circuit modulateur une onde dont l’expression est :

S(t) = Ac cos ( 2  F t ) ( Uo + Am cos ( 2  f t ))


que l’on écrit généralement sous la forme : S(t) = A ( 1 + m cos ( 2 f t )) cos ( 2 F t )

avec A = Ac * Uo et m =

ICI : F = f =


      1. Taux de modulation

Le coefficient m est appelé taux de modulation et sa valeur est importante à connaître car selon que m soit inférieur ou supérieur à 1, l’enveloppe reproduira ou non l’information.




MANIPULATION 1 :
Mesure du taux de modulation m :
Smax = A ( 1 + m )= V et Smin = A ( 1 – m ) = V d’où m =

MANIPULATION 2 : Détermination de m en mode XY
 Appliquer en Y le signal modulé S( t ) et en X le signal modulateur sm( t ) et mettre l'oscilloscope en position XY

On trouve ici :

BH = V BH’ = V d’où m =



3.Spectre en fréquence du signal modulé en amplitude
Si l’on développe maintenant S (t), on va obtenir la somme de 3 termes :
S(t) = A cos ( 2  F t ) + cos ( 2  ( F + f ) t ) + cos ( 2  ( F - f ) t )
Ces valeurs appartiennent toutes au domaine de fréquence de F

MANIPULATION 3 :

Observation du spectre du signal modulé en amplitude


Le spectre observé aura l’allure suivante :


 En effectuant la FFT du signal modulé, on va pouvoir retrouver les 3 raies correspondant aux fréquences : F – f, F, F + f





Valeurs théoriques

Valeurs expérimentales

F







F + f







F – f






 On va aussi pouvoir retrouver le taux de modulation m à partir des amplitudes des pics du spectre. En effet, l’échelle verticale est une échelle logarithmique graduée en dBV (=20log(V/Vo) où Vo = 1 V), un carreau correspond donc à 10 dB, l’écart en amplitude entre les pics correspondant à la fréquence de la porteuse et à ceux des bandes latérales permet donc de remonter à m.




A.N : A = dB d’où m = = ………….
Ce type de modulation présente un double inconvénient :

  • une grande partie de la puissance de l’émetteur est perdue dans la porteuse ( P = A²/2), qui ne transmet pas d’information.

  • L’existence des bandes latérales dans le spectre de fréquences engendre un grand encombrement dans l’espace des fréquences.


MANIPULATION 4 :
Dans le cas de la surmodulation, on observera que le poids relatif des pics secondaires F-f et F+f augmente en amplitude, cette dernière dépassant même l’amplitude du fondamental.

II – Transport : Transmission par fibre optique


Dans le cas de cette transmission, l’information est véhiculée par une onde lumineuse, modulée par le GBF ou une radio, et émise dans la fibre par l’intermédiaire d’une diode qui convertit le courant électrique en onde lumineuse. Le signal est transporté par une onde dont la fréquence appartient au domaine optique. La modulation effectuée est une modulation amplitude sur l’amplitude du signal lumineux

A la réception, une photodiode transforme l’onde lumineuse en courant électrique correspondant à l’information.


[1. NON PRESENTE ]
Dans cette expérience, on utilise la modulation externe de l’émetteur. On envoie un signal provenant d’un micro après amplification. On prendra soin de limiter l’amplitude de la modulation pour éviter de saturer l’électronique. Le signal reçu est envoyé sur le haut parleur.

2. On envoie un signal carré par l’intermédiaire de la modulation externe de l’émetteur et on observe au niveau du récepteur le signal transmis.

On se propose de mesurer le coefficient d’atténuation  (dB/m) de la fibre à partir de fibres optiques de différentes longueurs. On commencera par supposer que les deux fibres ont exactement les mêmes caractéristiques et les mêmes pertes.

On connaît la relation qui lie la puissance reçue, la puissance émise et le coefficient 



On peut alors à l’aide des 2 fibres optiques (L1=5 m et L2=18 m) que l’on a à disposition, sans connaître la puissance émise, retrouver  :



MANIPULATION 5 :
L1 = 5 m V1max = V

L2 = 18 m V2max = V


D’où 

III – Détection de l’information : la démodulation




  1. Détecteur d’enveloppe




R = 1k C1=1 F C2=4.7 F C3=22 F
La diode assure le redressement mono alternance.

Quand elle est passante vs(t) est égale à S(t).

La tension aux bornes du condensateur suit l’évolution de la tension S(t), jusqu’à ce que la diode se bloque lorsque vs(t) devient supérieure à S(t). Quand elle est bloquée, le condensateur se décharge dans la résistance R suivant la constante de temps RC.

Le choix de la constante de temps RC est important car il détermine la qualité de la démodulation :






MANIPULATION 6 :
On reprend le signal modulé du I.
 On observe le signal après la diode, il a été redressé et l’on ne veut maintenant garder uniquement que l’enveloppe du signal.
On obtient alors l’enveloppe du signal donc le signal modulant (GBF) pour peu que

fmodulant < << fporteuse

OBSERVATION pour les 3 couples RC ci-dessus.

Mais il y a deux inconvénients majeurs dans cette méthode : tout d’abord, si m > 1 la démodulation est impossible et la tension seuil de la diode limite le domaine d’utilisation.


 Montrer que dans le cas où m > 1, la diode interdit au signal Vs(t) de devenir négatif si bien que lorsque t=td, la tension quitte la courbe A(1+m cos(2 f t)) pour suivre la tension - A(1+m cos(2 f t)), il apparaît donc une distorsion du signal démodulé Vs(t)




  1. Détection synchrone




Cette technique est nécessaire lorsque le signal est entouré de bruits ou parasites ou lorsque m>1.

Si l’on effectue la multiplication des 2 signaux et que l’on développe les produits apparaissant alors, on trouve un signal en sortie du multiplieur de la forme :


u(t) = K [1 + m cos(2 f t) + cos(4 F t) + cos(2 (2F-f) t) + cos(2 (2F+f) t) ]
MANIPULATION 7 :
On amène la porteuse depuis le montage du I.

 On montre que dans le spectre du signal obtenu à la sortie du multiplieur on trouve bien

les fréquences 2F, 2F+f, 2F-f et f.
 Le signal avec la plus petite fréquence est le signal informatif. On le récupère à l’aide du filtre passe-bas.
 On montre que même dans le cas de surmodulation, on récupèrera le signal informatif.


  1. Boucle à verrouillage de phase (PLL)

On remarquera aisément qu’il est peu réaliste de transporter la porteuse jusqu’au système démodulateur. On va donc la récupérer d’une autre manière par une boucle à verrouillage de phase (PLL où PLL = Phase Locked Loop).

La dénomination est un peu osée car c’est la fréquence du wobulateur que l’on verrouille sur la fréquence de la porteuse.



MANIPULATION 8 :
 Pour parvenir à stabiliser la boucle, il faut que la fréquence du wobulateur soit proche de celle de la porteuse (l’écart à la sortie du multiplieur doit être faible pour pouvoir être compensé par le VCO).

La boucle se stabilise rapidement de telle sorte qu’à l’entrée du multiplieur les deux signaux ont des caractéristiques très proches.

Le signal modulé en amplitude a une fréquence fixe F qui est égale à la fréquence du signal sortant du wobulateur avec une amplitude constante : il s’agit donc de la porteuse.

La situation est stable car en sortie du multiplieur, on obtient un signal de la forme :


K (Uo + Am cos( 2 f t)) cos ²( 2 F t ) =

KUo /2 (1 + cos( 2F t )) + KAm cos( 2 f t ) cos ²( 2 F t )


Le filtre passe-bas sélectionne la partie constante. L’entrée « mod » ou « VCO » du wobulateur étant alimentée par une tension constante, il en sort donc un signal de fréquence constante, celle qui a été sélectionnée.


 On montrera la « plage d’accrochage ».
 Nécessité de déphaser le signal sortant du wobulateur pour le remettre en phase avec le signal modulé.
 On vérifiera à l’oscilloscope que la fréquence du signal obtenu est bien égale à la fréquence du signal à transporter.

Schéma du montage de démodulation




SCHEMA DU DEPHASEUR






ANNEXES

Les courbes suivantes ont été tracées avec fm = 50 Hz et fp = 2 kHz


Modulation d' amplitude A=5 m =0.5

>

> s:=unapply(5*(1+0.5*cos(6.28*50*x))*cos(6.28*2000*x),x);



> plot(s(x),x=0..0.04);



>
Modulation d' amplitude A=5 m =1

>

> s:=unapply(5*(1+cos(6.28*50*x))*cos(6.28*2000*x),x);



> plot(s(x),x=0..0.04);



>

>



Modulation d' amplitude A=5 m =2

>

> s:=unapply(5*(1+2*cos(6.28*50*x))*cos(6.28*2000*x),x);



> plot(s(x),x=0..0.03);







MP28 Télécommunications : Mise en forme, transport et détection

23 / 01 / 03 H. B. /




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