8. La Modulation de Fréquence

Royaume du Maroc
OFFICE DE LA FORMATION PROFESSIONNELLE ET DE LA PROMOTION DU TRAVAIL
MODULE 08
Traitement du Signal
Travail Pratique
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Première Année
Programme de Formation des Techniciens Spécialisés en
Électronique
DIRECTION DE LA RECHERCHE ET INGENIERIE DE LA FORMATION
Septembre 1995
TABLE DES MATIÈRES
8. LA MODULATION DE FRÉQUENCE
8-1
8.1 Information générale
8.1.1 Compétence visée
8.1.2 Critères particuliers de performance:
8.1.3 Durée du travail pratique:
8.1.4 Matériel nécessaire / par équipe:
8.1.5 Évaluation
8-1
8-1
8-1
8-1
8-1
8-1
8.2 Introduction
8-2
8.3 Modulateur de fréquence
8.3.1 Analyse du circuit
8.3.2 Réalisation du modulateur de fréquences
8.3.3 Mesure des caractéristiques du modulateur de fréquences
8-4
8-4
8-5
8-6
8.4 Démodulateur de fréquences
8.4.1 Réalisation du démodulateur de fréquences
8-7
8-8
Travail Pratique
Traitement du Signal
8. La Modulation de Fréquence
8.1 Information générale
8.1.1 Compétence visée

Réaliser un modulateur et un modulateur de fréquence à l’aide de circuits intégrés
CD4046.
8.1.2 Critères particuliers de performance:



Utilisation correcte des instruments de mesure.
Réalisation de circuits fonctionnels.
Interprétation exacte des mesures.
8.1.3 Durée du travail pratique:

La durée de l’expérimentation est de 6 heures.
8.1.4 Matériel nécessaire / par équipe:











Résistances
1 M ¼ W, 4 x 10 k ¼ W, 2,7 k ¼ W, 2 x1 k ¼ W
22 k ¼ W, 2,2 k ¼ W, 47 k ¼ W, 4 x 6,8 k ¼ W
Potentiomètres
10 k, 5 k, 2 x 100 k, 20 k
Condensateurs
3 x 1 nF, 3 x 470 pF, 1 F, 10 F, 2 x 100 nF
Circuit intégré
2 x CD4046
2 x générateurs de fonctions
Fréquencemètre
Oscilloscope deux traces avec sondes (2)
Bloc d’alimentation bipolaire 0-30 V
Coffre de pièces, plaquette de montage, pinces et fils #22
Documentations pertinentes
8.1.5 Évaluation
1- Fonctionnement des circuits ..................................................................... 50%
2- Réponse aux questions.............................................................................. 30%
3- Respect des normes (courbes et formes d’onde) ...................................... 20%
La Modulation de Fréquence
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8.2 Introduction
La modulation de fréquence est le type de modulation analogique le plus régulièrement
utilisé. Elle présente de multiples avantages sur la modulation d’amplitude. Ne citons que
sa très bonne immunité aux bruits et son amplitude constante permettant l’utilisation
d’amplificateur non-linéaires. Par contre, jusqu’à tout récemment la technologie
nécessaire était complexe. Ceci n’est plus le cas depuis l’avènement des circuits intégrés
spécialisés. En fait, le principal désavantage de la modulation de fréquences est qu’elle
nécessite une plus large bande de fréquence limitant ainsi les canaux de transmission
possibles.
En modulation de fréquence (M.F.), tout changement de la fréquence porteuse s’appelle
déviation et est proportionnel à la valeur instantanée de la tension modulante. La vitesse à
laquelle ces déviations de fréquence se produisent est fonction de la fréquence de la
modulante tandis que l’amplitude de la déviation (FP ) est fonction de l’amplitude de la
modulante.
Le symbole de la déviation de fréquence est  (delta minuscule) et s’exprime en Hertz. La
déviation est symétrique d’un côté et de l’autre, de la fréquence de la porteuse. Par
définition également, les demi-cycles positifs de la tension de modulation appliquée à un
émetteur M.F. provoqueront une augmentation de la fréquence (déviation positive) tandis
que les demi-cycles négatifs provoqueront le contraire ( négatif).
Signal
m odulant
(fm )
Em
Porte us e
non-m odulé e
(fp)
Ep
Signal m odulé
e n fré que nce
(fp +/- )
EMF
Figure 8-1 (Signal modulé en fréquence)
La Modulation de Fréquence
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Traitement du Signal
En modulation de fréquence, la fréquence de la porteuse varie d’une certaine valeur qui
est fonction de l’amplitude de la modulante (em). Définissons cette variation par K em où
K est la constante de déviation en fréquence et dépend des caractéristiques du
modulateur:
finst. = fp +  fp = fp + (fp K em)
Pour une modulante em = Em cos(mt), l’expression mathématique de la fréquence
instantanée devient:
finst = fp [1 + K Em cos(mt)]
où
fp = fréquence porteuse (en Hz)
K = constante de proportionnalité propre à chaque émetteur (en 1/V)
Em cos(mt) = expression de la tension instantanée de la modulante.
Pour une déviation maximale cos(mt) = 1,
f(lim) = fp (1 ± K Em) = fp ± fp K Em = fp ± 
où
 = déviation de fréquence (en Hz) = fp K Em.
L’indice de modulation en fréquence mf est définie comme:
mf =
= 
fm
Déviation de fréquence
Fréquence modulante
Une porteuse modulée en fréquence se présente comme une sinusoïde qui subit une
élongation et une compression continuelle. Elle n’est donc plus sinusoïdale. Cette
déformation ajoute une quantité importante de fréquences latérales à la porteuse (en fait,
un nombre théoriquement infini). Plus l’indice de modulation est important, plus il se
génère des raies latérales significatives. Ces raies sont équidistantes de fm (fréquence de la
modulante), d’où une largeur de bande plus importante qu’en modulation d’amplitude.
Fr (Hz)
Fp + 6Fm
Fp + 5Fm
Fp + 4Fm
Fp + 3Fm
Fp + 2Fm
Fp
Fp + Fm
Fp - Fm
Fp - 2Fm
Fp - 3Fm
Fp - 4Fm
Fp - 5Fm
Fp - 6Fm
Figure 8-2 (Spectre d’un signal modulé en fréquence)
La Modulation de Fréquence
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8.3 Modulateur de fréquence
8.3.1 Analyse du circuit
La façon la plus simple d’obtenir une modulation de fréquence est d’utiliser un oscillateur
contrôlé en tension (VCO). Ce circuit est naturellement un convertisseur tensionfréquence. Pour cette expérience, nous utiliserons le VCO inclus dans le CD4046. La
fréquence d’oscillation est déterminée par C5 et les résistances reliées aux broches 6 et 7
du circuit intégré. R8 et P2 déterminent la fréquence minimale d’oscillation tandis que R7
et P3 déterminent la plage d’oscillation.
La tension modulante est injectée directement à l’entrée du VCO. Cette tension est
superposée à une tension de décalage permettant un réglage fin (P1) de la fréquence
centrale du VCO.
+ 12V
R1
6K8
1
2
C1
0,1 uF
P1
10k
+
C2
10 uF
13
+12 V
U?
CD4046 16
VCC
PP
CIN
VCOUT
P1
P2
R12
6k8
6k8
C4
1 nF
10
15
R1
1M
C1
V entrée
audio
7
5
11
12
CX
INH
DEMO
R1
ZEN
GND R2
VCOIN
8
+
R8
10K
P2
100K
1 uF
V sortie
MF
6
R12
9
R6
10K
14
SIN
CX
R2
6K8
3
4
C5
470 pF
R7
2 K2
P3
5K
Figure 8-3 (Modulateur de fréquence)
La Modulation de Fréquence
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8.3.2 Réalisation du modulateur de fréquences
Conception du VCO
Caractéristiques du modulateur M.F.:
F porteuse = 300 kHz
Fmodulante max = 5 kHz
max = ± 15 kHz
Fmin = 100 kHz
Fmax = 500 kHz
C5 = 470 pF
K1 = 0,95 (pour Vcc = 12 Volts)
R7 + P3 = 2 K1 / ((Fmax - Fmin) x C5) =
R8 + P2 = 2 K1 / (Fmin x C5) =
Réalisez le montage du modulateur de fréquences sans relier la broche 9.
Branchez la broche 9 du 4046 à 0 Volt et réglez P2 pour obtenir Fmin à la sortie.
Branchez la borne 9 du 4046 à 12 Volts et réglez P3 pour obtenir Fmax à la sortie.
Finalisez le circuit en reliant la broche 9 au reste du circuit.
La Modulation de Fréquence
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8.3.3 Mesure des caractéristiques du modulateur de fréquences
Réglez P1 pour obtenir Fp + . Notez cette tension à la broche 9:
Ventrée max =
Réglez P1 pour obtenir Fp - . Notez cette tension à la broche 9:
Ventrée min =
La tension c. à c. maximum d’entrée est donc de :
Ventrée max c. à c. =
Quelle est la constante de déviation du VCO ?
KD =  / Ventrée max crête. = ________/________ =
Hz /V
Quel est le rôle de P1?
_______________________________________________________________________
_______________________________________________________________________
_______________________________________________________________________
_______________________________________________________________________
Réglez P1 pour obtenir Fp à la sortie.
Injectez une tension d’entrée sinusoïdale égale à Ventrée max c. à c. et vérifiez que le
modulateur MF fonctionne correctement.
La Modulation de Fréquence
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8.4 Démodulateur de fréquences
Le démodulateur de fréquences (aussi appelé discriminateur) utilise la boucle de
verrouillage de phase du CD4046. Lorsque la boucle est verrouillée, le V.C.O. oscille à la
fréquence du signal d’entrée. Une onde carrée de largeur variable se retrouve aux bornes
de C6. Cette tension, une fois filtrée, sera égale à la modulante.
Comparateur
de phases
CD4046 16
Entrée
signal MF
3
4
1
2
14
13
Filtre
passe-bas
R9
2K7
6
V.C.O.
7
5
11
12
9
C6
470 pF
10
Suiveur
R10
47K
R11
R12
10K
10K
Filtre
passe-bas
C7
1 nF
V sortie
audio
C8
1nF
Figure 8-4 (Diagramme fonctionnel de la boucle à verrouillage de phase)
3
4
C10
14
V entrée
MF
0,1 uF
6
C9
470 pF
7
5
11
12
R14
1K
R13
22K
+12 V
U2
CD4046 16
VCC PP
CIN
P1
VCOUT
P2
SIN
1
2
13
R9
2K7
CX
CX
INH
R1
R2
VCOIN
DEMO
GND ZEN
9
C6
470 pF
10
15
R11
8
R10
47K
10K
V sortie
audio
10K
C7
1 nF
P4
100K
P5
20K
R12
C8
1nF
Figure 8-5 (Démodulateur de fréquence avec CD4046)
La Modulation de Fréquence
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8.4.1 Réalisation du démodulateur de fréquences
Réglage du VCO
Réalisez le montage du démodulateur de fréquences à l’aide du deuxième CD4046 et
calibrez le démodulateur de la même manière que le modulateur (Broche 9 à 0 V puis à
12 Volts, etc.).
Vérifiez que le VCO du démodulateur présente la même constante de déviation que le
modulateur.
Débranchez la broche 9 et injectez une tension CC pour obtenir Fp max = Fp +  à la sortie
du VCO (broche 4). Notez cette tension.
Ventrée max = __________________
Réglez la tension CC à la broche 9 pour obtenir Fp min = Fp - . Notez cette tension.
Ventrée min =
__________________
Alors Ventrée max c. à c. = ____________________
Quelle est la constante de déviation du VCO ?
KD =  / Ventrée max crête. = _______/_________ =
Hz/V
Voici la relation fournit par le manufacturier pour déterminer la constante de temps R3C2:
 = R3C2 = GV / 2 (Fp)2
Constante de temps recommandée :  =
Comparez cette valeur avec la constante de temps pratique de la figure 8.5:
Constante de temps pratique :  =
Reliez la sortie du modulateur à l’entrée du démodulateur de fréquences et vérifiez que
tout fonctionne correctement avec une modulante sinusoïdale et triangulaire.
Quelle est la fréquence de coupure du démodulateur?
Fc = ____________________
La modulation FSK (pour « Frequency Shift Keying ») est une modulation de fréquence
avec une modulante carrée. C’est le type de modulation de fréquence résultant d’un signal
numérique. Elle est caractérisée par un changement brusque d’une fréquence basse
(niveau 0) à une fréquence élevée (niveau 1).
Réalisez un modulateur FSK en injectant une onde carrée 0-5 Volts (sortie TTL du
générateur de fonction) à l’entrée et vérifiez que le modulateur FSK est fonctionnel.
La Modulation de Fréquence
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