Modulation de fréquence (FM)

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La modulation de fréquence, FM, et la modulation de phase, PM, sont des modulations angulaires

Elles possèdent des caractéristiques très proches. Si proches que les circuits de démodulation sont identiques et que nous parlons toujours de FM alors que nous avons souvent affaire à de la PM.

Si l’oreille humaine ne fait pas la différence entre la FM et la PM, l’ordinateur (et sa carte son) et les DSP ne confondront pas ces deux modulations.

 

 

La FM et la PM sont démodulées par un discriminateur

Le discriminateur transforme les variations de la fréquence du signal à démoduler en variations de tension BF. Lorsque deux signaux sont présents à l’entrée du démodulateur, seul le signal le plus fort sera démodulé, contrairement à l’AM (et à la BLU) où les deux signaux seront extraits.

Un détecteur de pente est composé d’un filtre dont la fréquence de résonance est décalée par rapport à la fréquence de la porteuse de telle manière que le signal FM se trouve sur la partie la plus linéaire des flancs du filtre (généralement située en dessous de la fréquence de résonance). Si bien que lors des variations de fréquences, la fonction de transfert du filtre transforme la variation de fréquence en variation de tension.

Le discriminateur de type Travis reprend le même principe que le détecteur de pente en réduisant son manque de linéarité. Il est composé de deux circuits oscillants calculés pour les fréquences extrêmes d’excursion (convertisseur équilibré). Quand la fréquence à démoduler se rapproche de FI – δF, la tension en A est supérieure à celle en B.

Le discriminateur de type Foster-Seeley démodule la modulation de phase (PM) grâce au déphasage introduit par le condensateur C dans le circuit oscillant de sortie.

Les discriminateurs modernes utilisent une boucle PLL : le signal FM est comparé au signal HF issu du VCO. Après un filtre passe-bas, le signal de sortie qui est aussi le signal BF pilote la fréquence du VCO.

En l’absence de signal sur son entrée, le discriminateur génère du bruit. Pour éviter ce souffle, on utilise un squelch (ou silencieux) qui coupe l’alimentation d’un étage AF en l’absence de HF (ou en cas d’un niveau HF trop faible) à la sortie FI. En complément, un circuit limiteur situé à la sortie de la FI écrête les variations d’amplitude du signal FM ou PM dues, en particulier, aux parasites qui peuvent perturber le discriminateur.

Un modulateur FM est un oscillateur à réactance transformant les variations de la BF en variations de fréquence (ou de phase).

Dans les schémas présentés ci-dessous, la réactance du modulateur est générée par un micro capacitif associé à un circuit LC ou par une diode Varicap. En utilisant une boucle PLL, l’excursion en fréquence et la fréquence centrale du modulateur sont facilement ajustables par le VXO et le diviseur programmable. La BF est injectée après le filtre passe-bas dont la fréquence de coupure est très basse (<10 Hz).

 

On appelle indice de modulation (m) le rapport obtenu en divisant l’excursion de fréquence (soit la moitié de la bande passante du signal FM) par la fréquence maximum du signal modulant (BF)

m = Excursion (Hz) / BF maxi (Hz)

Le fait de passer le signal FM par un multiplicateur change son excursion et son indice de modulation. Ainsi, un signal FM passant dans un doubleur de fréquence voit son excursion et son indice de modulation doubler : l’excursion est doublée mais la fréquence de la BF modulante ne change pas.

On parle de FM à bande étroite (NBFM, de l’anglais Narrow Band Frequency Modulation) lorsque l’indice de modulation est égal ou inférieur à 1. Dans ce cas, le gain en rapport S/B (signal+bruit/bruit), par nature supérieur à celui constaté en AM, diminue fortement et donc la qualité du signal transmis se dégrade (bruit, surtout dans les aigus).

Pour réduire ce bruit (et augmenter le rapport S/B), le signal BF peut être modifié par un préaccentuateur qui renforce les aigus et qui est situé avant le modulateur FM. Le démodulateur FM sera alors constitué d’un limiteur suivi du discriminateur et du désaccentuateur qui restitue la BF envoyée à l’étage d’amplification AF.

Exemple

Quel est l’indice de modulation d’un signal FM transmis sur 144 MHz dont l’excursion est de 7,5 kHz et dont le spectre BF couvre une bande de 300 à 3.000 Hz ?

Réponse

m = excursion / BF maxi = 7,5 kHz / 3.000 Hz = 7,5 / 3 = 2,5

La tension du signal FM en fonction du temps, S(t), s’écrit ainsi (avec F = fréquence de la porteuse, f = fréquence de la BF modulante, P = tension crête de la porteuse et M = niveau BF déterminant l’indice de modulation) : S(t) = cos [2π.[F + M . cos (2π.f.t)].t].P tandis que le même signal modulé en phase s’écrit ainsi : S(t) = cos [2π.F.t + M . cos (2π.f.t)].P. On voit que ces deux fonctions sont très proches l’une de l’autre : le signal utilisé pour moduler de la PM est la dérivée du signal modulant utilisé pour générer de la FM.

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