La modulation-démodulation
La modulation-démodulation
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| Voici un chapitre important que nous allons explorer aussi simplement que possible. Bonne route. | |
| Vous n'êtes pas sans vous rappeler la différence entre électricité et électronique. | Nous avions dit que l'électricité traitait de puissance et l'électronique d'information. |
| Le sujet est toujours d'actualité et nous allons maintenant nous intéresser à la transmission de l'information. | Cette transmission d'information va se faire par le biais de la modulation, c'est la modulation qui est l'information. |
| Comment
transporter l'information ? |
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| Nous avons de
l'information à transmettre, avant toute chose, il convient de trouver le transporteur.
Dans notre cas, nous utiliserons les ondes hertziennes (l'éther comme on disait autrefois
car on imaginait le milieu éthéré !). Remarquez au passage qu'on peut transporter de l'information sur des fils (le téléphone), dans de la fibre optique (toujours le téléphone ou la TV) sur du câble coaxial (votre antenne est reliée à votre TV par un tel câble); il existe une multitude de supports. |
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| Quel
véhicule allons nous utiliser pour transporter l'information ? |
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| Nous connaissons notre support d'information (les ondes électromagnétiques) et maintenant nous devons créer un véhicule qui va circuler sur ce support. Ce véhicule, que l'on va appeler "porteuse" est une oscillation entretenue de fréquence f, d'amplitude A et de phase P. | |
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Cette oscillation créée à partir d'un oscillateur comme nous les avons étudié a cette allure sur un oscilloscope. Si pour établir un cycle complet, tel que représenté en rouge ici, il faut 1 µs, nous en déduirons que la fréquence est de 1 MHz. ( f=1/t) |
| Et comment
coller l'information ? |
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| Nous avons le
véhicule, il ne reste plus qu'à y mettre des passagers. Dans notre cas, pour qu'apparaisse l'information, nous allons devoir moduler notre porteuse. Moduler signifie que nous allons agir sur la ou les caractéristiques fondamentales de notre porteuse (fréquence, amplitude, phase) de manière à ce que ces variations soient le reflet exact de ce que nous voulons transmettre. |
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| Retenons
que la modulation peut agir : Pas simultanément, seules certaines modulations agissent sur deux éléments à la fois) |
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| Un exemple
simple : |
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| Prenons le plus simple des exemples qui puisse exister. Ce n'est pas à proprement parler de la modulation mais qu'importe. | Nous avons généré une onde de fréquence f. Supposons que dans l'alimentation de l'oscillateur je place un interrupteur. |
| Je pourrai ainsi couper à ma guise cette onde entretenue, je pourrai ainsi la laisser en émission 3 secondes, la couper 1 seconde etc. | Si je connais le code morse, il me suffira d'appliquer ce code par l'intermédiaire de mon interrupteur. Bref, je vais faire circuler de l'information. |
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| Regardez
ci-dessus, un vue à l'oscilloscope. Les sinusoïdes sont si rapprochées qu'elles forment
une bande continue. L'onde est découpée en morceaux. Je repère des traits et des points
(le point est court, le trait est trois fois plus long) et en y regardant de plus près
je lis 3 points, 3 traits et trois points. Muni de mon dictionnaire je recherche la
correspondance et j'écris SOS. A partir donc d'une onde électromagnétique et d'un interrupteur, j'ai pu faire passer le message "SOS". Vous êtes radioamateur ! PS: l'interrupteur s'appelle manipulateur |
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| Et pour faire
passer la voix humaine ? |
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| Dans l'exemple précédent, nous fonctionnions en "tout ou rien" càd que la porteuse était présente ou absente. Il est bien évident que ce procédé ne permet pas la transmission de la voix humaine, pour preuve, nous avons dû utiliser un codage particulier, le code Morse" pour envoyer un message cohérent et intelligible. | Ceci nous amène tout naturellement à repenser le problème. L'idéal serait qu'une des caractéristiques de la porteuse soit modifiée au rythme de la voix, càd que cette caractéristique puisse évoluer en tenant compte et de la fréquence de la voix humaine (son spectre) et de son amplitude (sa dynamique). Ceci se réalise par différents procédés qui vont donner des types de modulation également différents. |
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| Vous retrouvez ce
type de modulation en écoutant les grandes ondes ou le son de votre télévision (en
SECAM, le PAL est en FM). Le principe est simple. Nous allons faire varier l'enveloppe de la porteuse au rythme de la modulation. Ceci sera réalisé par un montage fort simple que nous allons voir ci-dessous Afin de bien mesurer ce qui se passe, je vous propose de voir sur une applet due à Hewlett-Packard maintenant Agilent Technologies ce que cela donne du point de vue temporel et fréquentiel (oscillo et analyseur de spectre). Nous en tirerons les conclusions un peu plus bas. |
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| Le montage
préalablement : |
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| Voici
l'étage final d'un émetteur AM. Un transistor est attaqué par deux signaux différents,
d'une part par la HF (haute fréquence) issue de l'oscillateur et d'autre part par les
signaux BF (basse fréquence) issus de l'amplificateur de microphone. Vous remarquerez que les couplages sont réalisés par des transformateurs et que la BF est couplé au circuit collecteur en série avec l'alimentation continue Vcc. Quand vous ne parlez pas devant le microphone, le transistor amplifie normalement la HF, il n'y a qu'un seul signal présent, en revanche des que vous vous mettez à susurrer devant le microphone, votre voix est transformée en signal électrique, ce signal est amplifié et envoyé sur le collecteur du transistor. Ce signal est un signal alternatif qui va donc se soustraire ou s'ajouter à la tension de collecteur forçant ainsi la HF à varier au rythme de la modulation. |
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| Et vous obtenez ce
que vous voyez ci-dessous. Quelques explications complémentaires : |
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| Copyright 1996, 1997 Hewlett Packard. All rights reserved | |
| Les différents curseurs vous permettent d'observer les évolutions fréquentielles et spectrales. | |
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Nous retiendrons : |
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| Comment
démoduler l'AM ? |
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| C'est certainement le type de modulation le plus facile à démoduler car comme nous avons une enveloppe variable, il suffira de se débarrasser du contenu de l'enveloppe (la HF) et de récupérer justement cette enveloppe, c'est à dire les variations BF. | |
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| Nous
envoyons à travers ce dispositif très simple le signal composé de la HF + la BF. La
diode va être conductrice pour les alternances positives et charger le condensateur.
Quand la tension va diminuer, le condensateur va se décharger dans la résistance. Nous
obtiendrons en sortie la courbe indiquée en rouge, càd l'image de l'enveloppe càd la
fréquence modulante BF. Ce type de détecteur à diode se retrouve quasi universellement malgré ses défauts car si en lieu et place de sinusoïdes, vous avez des signaux carrés, vous aurez d'extrêmes difficultés à fixer les valeurs de R et C car soit la constante de temps sera trop grande soit elle sera trop courte pour la fréquence des signaux à détecter et l'enveloppe sera mal restituée. Bon ceci est une autre histoire |
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| L'Am a connu son heure de gloire dans le monde de l'émission d'amateur. Hier totalement disparue de nos bandes, elle renaît de ses cendres grâce à un courageux groupe de nostalgiques qui remettent de vieux émetteurs en route. | |
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| Si l'AM
n'est plus guère utilisée hormis par les stations de radiodiffusion PO,GO et OC, la FM
en revanche connaît un grand succès. Nous savons que la modulation consiste à agir sur les caractéristiques de l'onde porteuse. Avec l'AM nous agissions sur l'amplitude, avec la FM, nous allons agir sur la fréquence. La porteuse sera d'amplitude constante, seule sa fréquence évoluera autour d'un point central au rythme de la modulation. |
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| On devrait pour être parfaitement puriste, parler de modulation angulaire et y inclure aussi la modulation de phase. Peut-être est-ce un peu beaucoup pour une approche et nous nous cantonnerons à l'étude de la FM | |
| Quelques
définitions réductrices mais aidant à la compréhension : |
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| Copyright 1996, 1997 Hewlett Packard. All rights reserved | |
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| Vous remarquerez, en jouant avec les curseurs, que plus l'indice de modulation augmente (m) plus le nombre de raies spectrales augmente, ce qui revient à dire que la place occupée croît. Il faudra donc veiller d'une part à ne pas transmettre l'intégralité du spectre de la voix humaine, et le limiter à 300-3000Hz et d'autre part à limiter l'excursion de fréquence. | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Comment produire un signal modulé en fréquence ? |
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| C'est relativement
simple, vous vous contenterez d'un synoptique et de quelques détails... Nous allons au départ utiliser un oscillateur ici représenté par un quartz. Une diode varicap, en fonction de la tension appliquée verra sa capacité varier et cette variation provoquera dans le circuit oscillateur des variations de fréquence. La diode sera commandée par la tension BF issue de l'amplificateur de microphone. Il ne restera plus qu'à amplifier et à relier à une antenne. |
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| Comment
détecter un tel signal modulé en fréquence ? |
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| C'est plus complexe car nous devons dans ce processus traduire par une tension des variations de fréquence. | Le premier détecteur utilisé, appelé discriminateur, était composé de composants discrets, aujourd'hui on trouve d'excellents circuits intégrés réalisant cette fonction. | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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| Voici le montage. En entrée on trouve un circuit accordé sur la moyenne fréquence. Ce circuit primaire est couplé magnétiquement à un circuit secondaire. A cet endroit on trouve le signal reçu par l'antenne transposé à une valeur fixe appelée moyenne fréquence ou fréquence intermédiaire (FI, IF en anglais). Le signal est également envoyé par le biais d'un condensateur au point milieu du secondaire, il est déphasé de 90° par rapport au primaire. | En présence d'une porteuse non modulée, on retrouve au secondaire d'un côté de l'enroulement un signal en avance(90°) et de l'autre côté un signal en retard (90°). Ces signaux un fois redressés par les diodes sont égaux et de signes opposés, il en résulte une annulation, il n' y a pas de tension BF en sortie. Maintenant déséquilibrons l'ensemble par un signal modulé en fréquence. D'un côté de l'enroulement la tension va croître, de l'autre décroître. La différence entre ces deux tensions redressées sera la BF. | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Détection
de la FM par PLL : |
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| Schéma très simplifié d'une boucle à verrouillage de phase pour la détection des signaux modulés en fréquence. |
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| La
technique moderne a permis d'améliorer considérablement le détecteur et on utilise
désormais des circuits spécialisé à PLL. Le principe en est simple. Un VCO oscille à
la fréquence FI (fréquence intermédiaire) du signal à détecter. On envoie à un
détecteur de phase le signal à détecter et le VCO. Dès qu'un écart de phase est
relevé, le détecteur envoie une tension correctrice au VCO. C'est cette tension
détectrice qui est l'image de la BF et qui après amplification sera appliquée aux
étages BF. |
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Nous
retiendrons : |
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| La
modulation de fréquence est très utilisée en VHF et UHF. C'est avant tout une mode (qui
dure) impulsée par les constructeurs japonais et une sorte de paresse des radioamateurs
qui ont souhaité disposer de confort ce qui n'était pas le but premier de l'émission
d'amateur. Théoriquement la démodulation de la FM est insensible aux variations d'amplitude ce qui la rend quasi immune aux parasites divers et variés toutefois le désavantage de la bande passante occupée rend cette modulation totalement inadaptée au trafic longue distance. Nous le verrons plus loin avec l'étude du bruit, plus la bande passante croît moins le récepteur est sensible. |
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| Nous allons maintenant étudier la modulation vocale la plus efficace, la BLU ou bande latérale unique. Elle a une suprématie incontestée sur toutes les bandes, nous allons voir ce qui a fait son succès. | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Pourquoi la BLU ? |
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| Les
amateurs ont commencé à émettre en CW (continus wave) càd la célèbre télégraphie
codée avec le code Morse, puis une fois le chemin débroussaillé, ils sont passés à la
phonie en modulation d'amplitude. L'AM comme nous l'avons vu est assez simple à produire, surtout à détecter mais souffre d'un grave défaut, sa déperdition d'énergie dans les bandes latérales. Qui plus est, la porteuse est toujours présente ce n'est pas idéal au niveau rendement énergétique. Un autre phénomène lié à la bande passante et à la propagation des ondes électromagnétiques est le fading sélectif qui altère une partie du spectre transmis et provoque de sévères déformations. D'où l'idée suivante : - ne plus transmettre "pour rien" la porteuse, en effet dans les pauses de la parole, il est inutile d'envoyer un signal qui ne sert à rien puisque non porteur d'information - ne transmettre qu'une seule bande latérale puisque l'autre contient rigoureusement la même information et n'apporte rien de plus. En ne transmettant qu'une seule bande latérale, on va de plus, pouvoir concentrer toute l'énergie dans celle-ci. - réduire la bande passante par filtrage au strict nécessaire soit 2400 Hz pour nos communications. Les gains vont être fantastiques à la réception, ils sont estimés supérieurs à 10dB (en clair 10 dB en puissance vaut un rapport de 10). Donc un émetteur de 100W en AM aura la même efficacité qu'un émetteur de 10W SSB! |
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| On en
déduit intuitivement que la mise en oeuvre sera un peu plus complexe tant à l'émission
qu'à la réception et que de nouvelles exigences verront le jour, plus particulièrement
concernant la stabilité des oscillateurs, nous verrons plus bas dans ce chapitre
pourquoi. La SSB, habituez vous au terme anglo-saxon, fait partie de la catégorie des modulations d'amplitude. |
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| Le
principe : |
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| Nous allons déclencher
notre porteuse uniquement quand la parole
sera présente et nous passerons avant amplification de puissance bien sur, le signal dans
un filtre étroit, généralement réalisé avec des quartz de manière à supprimer la
bande latérale indésirée. A ce propos jusqu'à 10 MHz on utilise la BLI ou LSB (bande la térale inférieure ou lower side band) et pour les fréquences supérieures à 10 MHz la BLS ou USB (bande latérale supérieurs ou upper side band). |
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| Comparons
spectralement un signal AM et SSB modulé par une note à 1000 Hz : |
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| Signal AM | Signal SSB | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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| Voici
le spectre d'un signal modulé en amplitude par un signal unique BF de 1000 Hz . Les
anglo-saxons appellent cela single tone. On note que l'on retrouve la porteuse de Fréquence Fp, la bande latérale inférieure de fréquence F2=Fp-Fm (Fm= fréquence de modulation) et la bande latérale supérieure de fréquence F1= Fp+fm |
Le
spectre d'un signal SSB modulé par un note unique à 1000 Hz. On ne retrouve qu'une seule raie spectrale de Fréquence F=Fp-fm ( dans cet exemple la bande latérale inférieure a été sélectionnée). Si nous avions choisi la BLS nous aurions eu F= Fp+fm. |
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| La voix est un signal BF complexe qui contient une grande quantité de raies spectrales qu'il est difficile de reproduire sur un dessin. Pour aider à la compréhension regardons ce qui se passe cette fois ci avec 2 notes, l'une à 1000 Hz et l'autre à 2000 Hz. | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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| Sans surprise, nous retrouvons les bandes latérales et la porteuse. pour chaque bande latérale nous avons le couple Fp-fm1 , FP-Fm2 et FP+Fm1, Fp+Fm2. | Dans le cas de la SSB, nous retrouvons seulement nos deux tons qui en fonction de la bande latérale sélectionnée seront de la forme Fp-fm1 , FP-Fm2 ou FP+Fm1, Fp+Fm2. | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Grâce à ces deux exemples vous pouvez mesurer combien la BLU est peu gourmande en spectre. | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Comment
produire de la SSB ? |
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| Ce
n'est pas si compliqué que cela. Nous allons faire appel à un élément essentiel appelé
"Modulateur Equilbré". Il s'agit d'un pont sur lequel on va injecter d'un
côté la BF et de l'autre de la HF. Au repos sans BF il y aura équilibre et la sortie ne
présentera aucun signal. Dès l'apparition du plus petit signal BF, le pont sera
déséquilibré et à la sortie apparaîtra de la HF. Mais ce n'est pas tout, le
modulateur équilibré va aussi se comporter comme un mélangeur entre les signaux BF et
HF et la sortie laissera apparaître les bandes latérales (BLI + BLS) correspondant à HF
+ BF et HF-BF. Retenons qu'en sortie du mélangeur équilibré, nous obtenons de la DSB (Double Side Band), pour obtenir de la SSB, il faudra passer ce signal dans un filtre. |
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| Voici le schéma, celui-ci est simplifié, les découplages n'apparaissent pas. Le condensateur variable ainsi que le potentiomètre servent à régler au mieux l'équilibre du mélangeur. Le moindre déséquilibre se traduit par de la HF en sortie e l'absence de modulation. Si vous écoutez attentivement les stations SSB, vous pourrez remarquer qu'en vous décalant légèrement vous entendez un sifflement du à cela. | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Comment
sélectionner la BLS ou la BLI (LSB/USB) ? |
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| Ceci va s'effectuer au niveau du point noté HF sur le schéma ci-dessus. Nous allons générer cette HF à partir de deux oscillateurs à quartz (qui sont livrés en général avec le filtre à quartz utilisé). | Dans nos applications amateur, la bande passante tourne à peu de choses près à 3 kHz. Nous placerons nos oscillateurs sur les fréquences extrêmes de la bande passante du filtre. Dessin ... | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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Voici la bande passante idéalisée d'un filtre à quartz. |
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| Nous
allons raisonner à partir d'exemples. Nous sélectionnons le quartz BLI calé sur 9001,5. La note modulante est de 1000 Hz soit 1kHz. Calculons ce que cela donne en sortie du mélangeur équilibré, qui rappelons le nous sort de la DSB. Fs= HF + BF = 9001,5 + 1 = 9002,5 Fd= HF - BF = 9001,5 - 1 = 9000,5 Sachant que notre filtre laisse passer les signaux de fréquences comprises entre 8998,5 et 9001,5 kHz, nous voyons immédiatement que Fs (HF + BF) ne passera pas dans le filtre et que seule Fd (HF - BF) sera présente, nous sommes en bande inférieure Appliquons le même calcul pour le quartz BLS (USB), il vient : |
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| Comment
démoduler un signal SSB ? |
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| Bonne
question ! Il s'agit du processus identique à celui de l'émission. Raisonnons toujours à partir d'un exemple, c'est intuitif et cela reste dans la mémoire. |
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A votre gauche, le
spectre d'un signal SSB, en BLI (LSB). La fréquence modulante est toujours de 1000 Hz
(l'opérateur siffle dans son micro) Sur l'afficheur de son émetteur récepteur,
l'opérateur lit la fréquence de 7075 kHz, bande des 40m. si l'afficheur indique 7075 kHz, la raie spectrale provoquée par la note à 1000 Hz se trouve sur 7074 kHz. |
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| Nous, ce que nous voulons entendre dans notre récepteur, c'est justement un note à 1000 Hz, or elle est émise à 7074 000 Hz. Problème non ? | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Pas vraiment. tout d'abord notre récepteur va convertir (par mélange) le signal de 7074 kHz sur une fréquence fixe de 9 MHz (nous verrons cela avec la constitution du récepteur). Ce signal à 9 MHz rigoureusement identique à celui sur 7074 kHz sera ensuite envoyé dans le montage suivant : | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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Notre récepteur est positionné sur BLI (LSB) donc c'est le quartz de 9001,5 qui oscille. le signal est convertit en 9MHz plus ou moins la bande passante de notre filtre à quartz en réception. En faisant varier la fréquence d'accord de notre récepteur (par le gros bouton hi), nous allons mélanger la fréquence de notre quartz 9001,5 avec le signal à 9000,5, la différence nous donnera une note à 1000 Hz (9001,5-9000,5 = 1 kHz). | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Vous allez m'objecter mais comment faire pour déterminer la note précise et comment savoir s'il s'agit d'une note à 1000 ou 1500 Hz. C'est vrai avec une seule note on ne peut pas savoir mais dès que le correspondant parle, vous ajuster automatiquement la fréquence pour que sa voix soit intelligible. C'est ce qui explique que quand vous n'êtes pas correctement syntonisé sur la fréquence de votre correspondant, en BLU, celui-ci a cette merveilleuse voix de canard... | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| On peut
lire dans la littérature que l'on restitue la porteuse manquante à l'émission dans le
récepteur, ceci me paraît être une fausse image. La vérité est que l'on mélange deux
fréquences et que la résultante filtrée nous donne la juste tonalité. Nous allons en rester là pour le moment, d'autres compléments d'information vous serons fournis durant l'étude de la constitution du récepteur. |
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| Nous
retiendrons : |
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| Les
classes d'émission : |
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| Devant la diversité des modes de modulation, il a fallu établir un système simple (ou presque) permettant d'identifier et de classer les émissions en fonction de leurs caractéristiques. Ceci se présente sous la forme de trois caractères | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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| A titre d'exemple, la CW (télégraphie) sera codifiée A1A, la FM F3E, la SSB J3E, l'AM A3E | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Nous sommes parvenus (ouf!) au terme de ce chapitre dense et fourni. N'hésitez pas à consulter la littérature sur le sujet pour avoir une information différente et complémentaire. Nous nous retrouverons pour l'étude des éléments constitutifs des émetteurs et récepteurs. | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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Révision 01 du 19/03/2001 |
