INSTITUT UNIVERSITAIRE DE TECHNOLOGIE DE MARSEILLE

IUT MARSEILLE
DEPARTEMENT DE GENIE ELECTRIQUE ET INFORMATIQUE INDUSTRIELLE
Diplôme Universitaire de Technologie
LA MODULATION D’AMPLITUDE AVEC ET SANS PORTEUSE.
LE MELANGEUR A 4 DIODES (M4D)
L’AMPLIFICATEUR OPERATIONNEL A TRANSCONDUCTANCE (OTA).
La Modulation d’Amplitude d’une porteuse sinusoïdale, est le mode de transport d’un message x(t)
analogique, le plus ancien (~1920). Il est exploité dans le monde entier dans les gammes radio GO ,
PO , OC . Ce procédé est malheureusement très coûteux en puissance inutile et source de pollution
radioélectrique importante ! La modulation d’amplitude ne survit que par le nombre de récepteurs
existants dans le monde (~ un milliard ! ).
Le message x(t), en bande de base, est centré sur 0 , son amplitude |x(t)| est limitée à xmax , ce qui
définit le taux de modulation : m = k xmax / a p
La sortie y est caractérisée par aP (amplitude de porteuse émise) et k (produit du facteur d'échelle β et
de l'amplitude de porteuse b injectée). Ces deux grandeurs dépendent du composant utilisé.
facteur d'échelle β (en V-1)
β b = k (en V/V )
message x(t) ( en V )
en bande de base
<x>=0
Porteuse introduite : bcos2πfpt (en V )
Modulateur
MA
∼
Modulation obtenue en sortie :
y(t) = [ ap + k x(t) ] cos2πfpt ( en V
)
x(t)
xmax
0
t
xmin
y(t)
ap + kxmax = ap (1+ m)
ap + kxmin = ap (1- m)
ap
0
t
- ap
1
La MAPS est une fonction incontournable de l’Electronique, elle est décrite par les équations de
la MA en posant ap = 0.
Dans ce TP nous illustrerons, tout d’abord, la MAPS grâce à un mélangeur à 4 diodes M4D. Le M4D
est un ‘’composant à tout faire’’, il possède 3 accès, dont deux quelconques sont des entrées, le
troisième une sortie.
Il fonctionne correctement à condition que les diodes soient utilisées comme des interrupteurs,
par conséquent à condition que l’une des deux entrées reçoive une amplitude voisine de 0,8V.
C’est l’entrée dite ‘signal fort’ qui agit comme la fonction signe. L’entrée dite ‘signal faible’, par
contre, reste en régime linaire, on limite donc l’amplitude à 0,5V.
On sait aussi que seul l’accès IF transmet le continu et les basses fréquences. Toutes ces
conditions étant respectées alors on peut écrire :
(expression 1)
vsortie(t) = vsignal faible(t) . signe ( vsignal fort (t) )
En guise d’illustration réalisons un modulateur MAPS, qui translate le spectre d’un message binaire
NRZ dans un canal en haute fréquence: le signal prédisposé à la fonction ‘signe’ est le message binaire
NRZ, ce sera le ‘signal fort’ (0,8V). Il ne sera transmis intégralement que sur l’accès ‘DC’ ou IF. La
porteuse doit rester sinusoïdale et sera ‘signal faible’, sur LO (~ 0,5V).
La porteuse HF, est changée de signe, au grés du binaire. La sortie RF, est donc décrite par :
vRF(t) = vLO(t) . signe ( vIF (t) ) = VLO cosωpt . signe ( xNRZ (t) ) (expression 2)
LO
RF
D2
D1
D3
D4
IF
La deuxième partie du TP sera consacrée à la Modulation d’Amplitude avec Porteuse, grâce à un
composant, que vous avez utilisé récemment, l’OTA (ici en régime linéaire).
Enfin, c’est encore le M4D qui assurera le changement de fréquence, fonction capitale dans le partage
du support de transmission (cuivre ou hertzien) par FDMA.
(exemple pris pour ce TP : un canal quelconque des gammes radio,GO,PO,OC, est translaté à la
fréquence intermédiaire FIF 455kHz ) .
PARTIE PRATIQUE.
1 _TRANSPORT D’UN MESSAGE BINAIRE CODE NRZ, PAR MODULATION
D’AMPLITUDE A PORTEUSE SUPPRIMEE
Nous allons réaliser le transport, dans un canal de transmission à fp ~ 120kHz, d’une suite binaire
synchrone, codée en NRZ(+-A), au débit de 38400 bits/s
Le spectre de ce message XNRZ s’étale principalement de 0Hz jusqu’à 1/Tb .
Expliquez pourquoi il n’y a qu’un accès possible pour introduire le message binaire.
Donc le mélangeur fournit en sortie RF une tension décrite par l’expression 2.
vRF(t) = vLO(t) . Signe (vIF (t) ) = VLO cosωpt . signe ( xNRZ (t) )
(expression 2)
2
Une carte annexe (plaque CODAGE), fournit le binaire en CMOS, translaté en NRZ et accessible par
BNC. Un câble BNC relie la sortie NRZ à l’entrée IF du M4D. (il n’y a pas lieu de régler l’amplitude
NRZ la source résistive se règle automatiquement vers 0,7V par limitation du courant).
La porteuse doit rester sinusoïdale donc réglée à 0,5V d’amplitude.
Commençons par une suite de symboles ak, 0 et 1 alternés, au débit Db de 38400bits/s :
(vous pouvez obtenir ak à partir d’une borne déduite de l’horloge bit de la carte ).
C’est un peu pauvre comme information mais facile à comprendre et à observer!
Relevez l’horloge bit, le message codé en NRZ , et la MAPS-MDP2, bien entendu faites des graphes
synchrones, avec les graduations d’amplitude et de temps. (pensez au mode ’single’ ).
Relevez soigneusement en mode FFT( 5dB/div) le spectre du message NRZ , quelle est l’amplitude du
spectre aux fréquences 0 Hz , 1/2Ts , 1/Ts et 3/2Ts ( pensez au marqueur ) ?
Ce spectre est il prévisible ?
Enfin faites l’analyse spectrale de la MAPS ( ou MDP2 ),( 5dB/div) en plaçant les marqueurs
en fLO - 1/Ts et en fLO + 1/Ts, relevez soigneusement ce spectre , pouviez vous le prévoir ?
Expérimentation de la MAPS avec un message binaire plus réaliste.
Passons à un message binaire un peu
Horloge de periode Tbit
plus réaliste (en tout cas moins
bégayant ! ) , issu d’un générateur
binaire pseudo aléatoire, dit GPA,
a K a K-1 a K-2
a K-15
constitué d’un registre à décalage à
15 étages
Le contenu est décalé à droite à chaque
coup d’horloge. (période Ts=Tb).
Le bouclage du schéma garantit que la
TTL
séquence obtenue est une SBLM et
NRZ
Le generateur de symboles binaires pseudo aleatoire dit GPA.
dure par conséquent
15_
Il fournit les valeurs binaires a K au debit de 1/Tbit bit /s
( 2 1 ) Tbit
x(t)
Ainsi le message x(t) a l’apparence de
l’aléatoire, tout en étant périodique !
Le montage reste inchangé, seule la sortie pseudo aléatoire ak remplace l’horloge CMOS précédente.
L’horloge bit est inchangée et donc le débit de la transmission reste à 38400 bits/s.
Familiarisez-vous avec XNRZ(t) grâce à l’oscilloscope en mode SINGLE.
Relevez en mode ‘single’ le message XNRZ (t) et la MAPS , graphes synchrones et gradués.
Relevez soigneusement le spectre du message (5dB/div) en plaçant le curseur à 1/Ts = 1/Tb.
Utilisez le mode ‘’autostore’’ pour construire progressivement le profil du spectre.
Quelles sont les ressemblances avec le spectre de la suite alternée?
Quelle est l’occupation spectrale en bande de base du signal NRZ (OSBDB)?
Enfin faites de même avec la MAPS, placez les curseurs à fLO + 1/Ts et à fLO - 1/Ts.
Quelle est l’occupation spectrale du canal MAPS (OSCanal)?
Quel est le débit spécifique de la MDP-2 ou MAPS ?
Remarque concernant la modulation de phase à 2 etats, MDP-2.
Conformément à la MAPS, on obtient la correspondance simple entre valeur binaire
et signal émis: aP cos [ ωpt +Θi ( t ) ]
symbole 1
symbole 0
-Acos [ ωpt ]
Acos [ ωpt ]
= aP cos [ ωpt + π]
= aP cos [ ωpt + 0 ]
3
Θi = π
θi = 0
On constate l’équivalence entre MAPS et MDP2 lorsqu’ il s’agit de transport de message
binaire!
Faites une conclusion comparative des spectres dans les deux cas de suites ak. Exprimez la règle
qui donne le nombre de composantes discrètes du spectre contenues dans le lobe principal.
2_LA MODULATION D’AMPLITUDE AVEC PORTEUSE, REALISEE PAR OTA.
+15V
~
b cosωpt
Is
3
2
5 Ia
4
Vz=10V
y(t)
RL
1kΩ
Ra
22kΩ
x(t)
- 15V
150Ω
L’ OTA CA3080 ( ou CA3094) reçoit
b cosωpt ( à ~ 120kHz ) sur l’entrée
différentielle, le message, en bande de base,
x(t) agit sur le courant Ia. Si l’on souhaite
une porteuse sinusoïdale en sortie il est
impératif de rester en ‘’ petits signaux’’
sur l’entrée différentielle, donc de
respecter le régime linaire du différentiel
T1 T2.
Vous utilisez donc l’OTA dans des
conditions très différentes du régime
d’aiguillage vu dans un TP récent.
Le courant de polarisation Ia s’exprime par
Ia = ( x(t) - V5 ) / Ra .
Quels sont les potentiels des bornes 4 et 5 ?
Calculer numériquement Ia et la transconductance gOTA, en l’absence de message x(t).
Le message x(t) est fourni par un générateur de tension de fem maximum de 10V.
Vous comprenez maintenant le rôle de la diode zener qui limite l’alimentation négative à –10V.
Exprimez littéralement y(t), dans la forme canonique du cours, identifiez littéralement ap, β, K et m.
Pour b = 30mV, calculez ap et k ( on est encore à peu près en régime linéaire ).
NB : constante de Bolzmann K = 1,38.10-23J/° ; charge élémentaire q = 1,6.10-19 C ; jonction à
température ambiante.
Si l’on souhaite moduler à 100% quelle doit être la valeur de |x|max ?
Le régime linéaire de l’entrée différentielle.
Vous utilisez à nouveau la plaque du TP Signaux Simples.
VERIFIEZ QUE L’A.O. TRIGGER EST ABSENT DE LA PLAQUE !
Toutes les mesures seront faites en crête à crête. Un gain devra toujours être donné de la manière
suivante:
gOTA = 400µΑcc/80mVcc = 5mA/V.
Pour l’instant il n’y a pas de message, x(t) = 0, et Ia = 0,5mA.
Vérifier rapidement vos souvenirs récents sur l’effet de l’amplitude appliquée à l’entrée différentielle.
En mode YX, relevez soigneusement la caractéristique qui lie le courant de sortie Is à Vd (v3 – v2),
Chiffrez la transconductance gOTA grâce à la caractéristique en XY, donnez l’unité.
Comparez aux prévisions.
En déduire le gain moyen du modulateur MA défini par ap / b.
Si vous le voulez bien realisons la MA avec 60mVcc sur l’entré différentielle.
Commençons avec un message sinusoïdal à ~ 20kHz.
Calculez xmax pour moduler à 80%. Réglez l’amplitude du message à xmax .
Relevez sur votre copie l’oscillogramme synchrone de x(t) et y(t) , pensez à dessiner les curseurs
amplitude et fréquence!
Passez en mode XY et relevez le trapèze de modulation, mesurez m.
Enfin passez à l’analyse FFT en 2dB/C , en plaçant la porteuse aCcosωPt au sommet de l’écran.
Calculez la formule donnant le taux m à partir de l’écart ∆VdB.
4
Recopiez soigneusement le spectre avec les 4 curseurs bien placés, mesurez m grâce à ∆VdB.
Quelle est l’occupation spectrale du signal modulé en amplitude ?
Modulez maintenant à 100%, puis mesurez xmax, comparez à la préparation.
Amusez vous à permuter les fréquences (pas les generateurs !), expliquez le nouveau spectre.
3_LE RECEPTEUR A CHANGEMENT DE FREQUENCE.
Le mélangeur est inséré dans un schéma de récepteur classique à changement de fréquence, destiné à
la gamme PO (Petite longueur d’Onde λ de 588m à 187m). Les étages sélectifs et le détecteur
travaillent à la fréquence fixe intermédiaire fIF = 455kHz. Toute la gamme PO peut, ainsi, être reçue
après changement de fréquence utilisant un oscillateur local à fLO. Le mélangeur fournit au filtre
sélectif une tension vIF(t) = vRF(t) . signe ( cosωLOt ).
Le changeur de fréquence exploite la caractéristique FLO - FE = FIF .
RF
IF
Détection
d’enveloppe
M4D
Filtre sélectif à fE
LO
BF
Filtre sélectif
Fixe à fIF = 455kHz
Calculez la gamme de fréquence que doit couvrir l’oscillateur local pour la réception PO.
Injectez les signaux ‘antenne’ à fE et local à fLO de façon à changer fE en fIF.
Observer le résultat en sortie de filtre à fIF (borne IF) grâce à l’analyse FFT, et réglez
soigneusement le niveau du signal fort local. Cette utilisation traditionnelle du M4D explique les
noms des accès.
Toujours en IF et grâce à la FFT comparez les niveaux des deux composantes MAPS à celui du signal
reçu à fE. L’écart en dB vous donnera le gain de conversion GM du mélangeur. Le gain de conversion
GM du mélangeur est-il proche de la prévision théorique ?
Réglez fLO en vue du changement de fréquence à fIF. Placez vous en sortie de filtre FI et affiner fLO
grâce au spectre. Vérifiez une dernière fois l’ajustement du niveau LO. Enfin mesurez le gain de
conversion global GCONV, toujours en FFT. Déduisez le gain du filtre GFFI.
Sur papier millimètré horizontal (100kHz/c), tracez la caractéristique du changement de fréquence,
avec en ordonnées fE, et fLO en abscisse, pour l’ensemble de la gamme PO. Sur la même feuille portez
la relation calculée.
Vérifiez la cohérence des deux graphes.
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