TpModFreq

IUT de Grenoble - RT TpModFreq12.doc - 1 13/08/12

RESEAUX & TELECOMMUNICATIONS RT1A

TP3a Modulation de Fréquence Module T1

2012-13

1 Matériel

- 1 "Double" Générateur de fonctions AFG 3022 avec charge 50 Ω - 1 Maquette Déphaseur pur à 90° - 1 Maquette Multiplieur - 1 cordon Jack-M > BNC

- 1 Maquette Filtre Passe-bas - 1 Maquette Source de tension variable - 1 Haut-parleur amplifié - 1 cordon Jack-F > BNC - 1 analyseur de spectre HM 5006 - 1 antenne FM

2 But de la manipulation

Observer la bande FM à Grenoble Réaliser une tension modulée en fréquence par un oscillateur contrôlé en tension (OCT ou VCO)

avec le générateur de fonctions AFG 3022. Observer l’évolution de son spectre en fonction des paramètres de la modulation (amplitude et

fréquence). Mesurer son excursion de fréquence maximale à l’oscilloscope et à l’analyseur de spectres. Effectuer sa démodulation par Détecteur de quadrature

3 Préparation

3.1 Oscillateur commandé en tension OCT (ou VCO) On prendra comme unités pratiques de tension et fréquence le V et le kHz.

Soit un oscillateur commandé en tension, caractérisé par la courbe ci-contre. Quelle est sa constante de modulation KF ?

3.2 Modulation de fréquence On veut réaliser une modulation de fréquence caractérisée par une fréquence centrale F0 = 100 kHz et une excursion maximale de fréquence (crête) ∆Fmax = 20 kHz avec ce VCO. * Calculer l'amplitude crête Vm du signal de modulant permettant cette excursion de fréquence. * Ce signal modulant est sinusoïdal et de fréquence f = 10 kHz.

En déduire l'indice de modulation m (ou l'excursion maximale de phase ∆ϕmax). En déduire la largeur du spectre occupé B (règle de Carson).


4 Mesures

4.1 Observation de la bande FM à Grenoble à l'aide de l'analyseur de spectre

4.1.1 Bande FM à Grenoble (Source : http://www.brume.org/radios/grenoble.html)

88,2 France culture 88,6 Radio Fontaine 89,0 Radio Grésivaudan 89,4 Couleur 3 89,9 France inter 90,3 Radio Passion 90,8 Radio brume 91,2 Europe 2 91,8 France musique 92,2 IFM Intermodulation FM 92,8 France culture 93,3 Nostalgie 93,7 RTL 2

94,1 RFM 94,5 Radio Vizille FM 95,0 95,5 France musique 96,0 Skyrock 96,6 Radio certitude 97,0 Radio Kaléidoscope 97,4 RTL 97,8 Beur FM 98,2 Radio France Isère 98,8 Fun radio 99,4 France inter 100,0 Radio 100 Kol Hachalom 100,8 BFM

101,2 News FM 102,0 Belledonne FM 102,4 Radio classique 102,8 Radio France Isère 103,2 NRJ 103,7 R.C.F. - Eglises Chrétiennes 104,2 RMC 104,6 Europe 1 105,1 France info 105,8 Chérie FM Rhône Alpes 106,5 Radio italienne de Grenoble 106,9 M.F.M. 107,5 Radio Chamrousse

La bande FM est autour de 100 MHz donc à une fréquence trop grande pour être observée avec notre oscilloscope. Nous allons, pour cette manipulation, le remplacer par l’analyseur de spectre HM 5006 dont la bande passante atteint 500 MHz.

4.1.2 Réglages de l'analyseur de spectre


Puisque la bande est autour de 100 MHz, il faut régler sa fenêtre d'observation de la façon suivante :

• Régler la fréquence centrale à 100 MHz en désactivant la touche MARKER (led CF allumée) et en réglant sa valeur à l’aide du bouton rotatif « CENTER FREQU. »

• Régler la fenêtre d’observation (ou SPAN) à 50 MHz en réglant SCANWIDTH à 5 MHz/div (puisqu’il y a 10 divisions horizontales) en utilisant les touches droite-gauche.

La sensibilité de l'analyseur est toujours de 10dB/ DIV, avec donc une dynamique d'entrée de 80 dB (8 DIV en hauteur) . Sans atténuation interne (aucune des 4 atténuateurs de 10 dB ne doit-être enfoncé) la ligne du haut correspond à -27 dBm, celle du bas à -107 dBm. Il est donc très sensible et va nous permettre d’observer la bande FM à Grenoble.

• La led UNCAL doit être éteinte. Sinon il faut vérifier et corriger ces 3 points : • Limitation de bande passante par le filtre vidéo : VIDEO FILTER ON • Résolution minimale : "BANDWITH" = 12,5 ou 20 kHz • Bouton "IG-GAIN" sur la position CAL

La led UNCAL est allumée. C’est sans conséquence pour la suite du travail.

4.1.3 Relevé du spectre de la bande FM : Connecter l'antenne FM (télescopique) sur l’entrée de l’analyseur HM 5006 puis l’ouvrir au maximum. Régler, comme cela a été expliqué : FREQUENCE CENTRALE = 100 MHz et SCANWIDTH = 5 MHZ Observer le spectre de la bande FM , il doit avoir cette allure :

• Mesurer ses limites en utilisant le marqueur (MKR ON avec déplacement à l’aide du bouton rotatif MARKER)

4.1.4 Relevé du spectre d’une station FM : Repérer, à l’aide du marqueur, la station dont la puissance est la plus élevée. Soit Fc Centrer la fréquence centrale sur cette station FREQUENCE CENTRALE = Fc Diminuer la fenêtre d’observation (SPAN) en diminuant le SCANWIDTH jusqu’à obtenir une tel relevé C’est le spectre de cette station FM

• Quelle est la fréquence de sa porteuse ? En déduire le nom de la station.

• Mesurer son encombrement .


4.2 Générateur AFG 3022 Ce générateur ayant 2 sorties synchronisables permet d'avoir des signaux modulé, modulant et porteuse synchronisés les uns avec les autres, donc des signaux très propres sur l'oscilloscope. Par contre il est adapté à des mesures sur 50 Ω mais comme nos charges sont généralement à haute impédance (Entrées oscilloscope et multiplieur) la consigne en tension VPP est deux fois plus grande que la tension crête à crête observée à l’oscilloscope. Explication :

Fonctionnement normal sur 50 ΩΩΩΩ Fonctionnement sur charge haute impédance (circuit- ouvert)

Vous avez 2 solutions pour remédier à ce problème : 1) Diviser par 2 la consigne:

Si on veut un signal d'amplitude crête à crête de 1V, il faut entrer comme consigne Vpp = 0,5 V au lieu de Vpp=1V

2) Charger la sortie par une charge 50 Ω pour que les amplitudes des

signaux soient en accord avec la consigne donnée. Equiper, pour cela, la sortie avec un Té dont une des branches est une résistance de 50 Ω. Réclamer ce Té équipé de la résistance 50 Ω si vous optez pour cette solution.

Dans tous les cas, pour être tranquille, il est préférable de contrôler la tension à l'oscilloscope.

4.3 Génération d'un signal modulé en fréquence

4.3.1 Réglages préliminaires du générateur AFG 3022 L'OCT est le générateur AFG 3022. Procéder aux réglages suivants :

Activer le bouton Default / OK pour réinitialiser l'appareil Sélectionner la voie CH1 Sélectionner "Continuous" Régler la fréquence à 100 KHz (Frequences / 100 / KHz) Régler l’amplitude crête à crête à 10V Offset = 0 et Phase = 0 Valider la sortie CH1 • Relever alors l'allure du signal en sortie du générateur. On doit pouvoir vérifier qu'il est

sinusoïdal, de fréquence 100kHz, d'amplitude 5V et de valeur moyenne nulle. • Relever le spectre de ce signal de sortie en pointant avec 1 curseur la raie correspondante que

vous aurez, au préalable, à peu prés centré.


4.3.2 Utilisation du générateur AFG 3022 comme modulateur de fréquence Le générateur AFG 3022 peut délivrer une fréquence commandée par une tension (externe ou interne) : c'est un Oscillateur Commandé en Tension (OCT ou VCO)

Le gain de cet OCT est E

SF

VFK ∆

∆= où FS est la fréquence en sortie du

générateur et Ve est l'amplitude du signal en entrée. C’est, en quelque sorte, la sensibilité de ce modulateur. Il peut donc délivrer un signal modulé en fréquence, en entrant le signal modulant en entrée Ve. L'excursion maximale de fréquence correspond à la tension maximale en entrée (Soit Vm l’amplitude du signal sinusoïdal d’entrée) : ∆F = KF × Vm Pour cela procéder aux réglages suivant :

Sélectionner la voie CH1 Garder la fréquence à 100 KHz (Frequences / 100 / KHz) Garder l’amplitude crête à crête à 10V Garder Offset = 0 et Phase = 0 Sélectionner "Modulation" Choisir la modulation FM : Type Modulation / FM Choisir la modulation externe : Source FM /Externe Régler le gain KF de l'OCT à KF = 100 kHz/V en donnant la valeur 100 kHz à la déviation :

Deviation / 100 kHz

4.3.3 Observation du signal dont la fréquence est commandée par une tension Appliquer sur l'entrée Ext modulation 1 (au dos de l'appareil), une tension continue entre –0,2 V et + 0,2V à l'aide de la maquette source de tension variable. Cette tension sera mesurée à l'aide d'un multimètre. Observer alors l'allure du signal en sortie CH1 du générateur. Vérifier que la fréquence change lorsque le signal en entrée change.

• Mesurer la fréquence dite de la porteuse pour Ve = 0V. • Mesurer l'écart à la porteuse (ou excursion maximale de fréquence ∆F ) pour Vemax = +0,2V.

Cela correspond-il au calcul précédant : ∆F = KF × Vm ? On veut vérifier la linéarité de la modulation. Mesurer la fréquence pour Ve variant entre 0,2V et –0,2V (5 points de mesure suffisent).

• Relever le tableau de mesures F(V) • Tracer la courbe F(V) caractéristique de l'OCT. En déduire le gain KF de l'OCT et est-ce

compatible avec le réglage fait en 4.2.2 ? Pour tracer automatiquement une telle courbe vous pouvez utiliser EXCEL. Il existe, même sur EXCEL, une fonction PENTE qui calcule la pente moyenne d'une courbe ressemblant à une droite. Ce mode d'emploi est sur l'intranet de la salle : http://www.t14 / TP / Rubrique : Aides Techniques/ Savoir faire sur un PC/ Tracer une courbe y(x) avec EXCEL.


4.3.4 Observation d'un signal modulé en fréquence

Appliquer maintenant sur l'entrée (Ext. Modulation CH1 Input) un signal non plus continu mais un signal sinusoïdal délivré par CH2 afin de caractériser le générateur comme modulateur de fréquence. Garder le réglage précédant de CH1.

Fréquence à 100 KHz Amplitude crête à crête à 10V Offset = 0 et Phase = 0 Modulation / FM /Externe Gain KF de l'OCT à KF = 100 kHz/V (déviation / 100

kHz)

Fréquence du signal modulant Fo = 1 Hz Le signal modulant sera généré par la voie 2 du générateur :

Sélectionner la voie CH2 Sélectionner "Continuous" Régler la fréquence à 1Hz (Frequences / 1 / Hz) Régler l’amplitude crête à crête à 0.4V (>>> amplitude 0,2V) Offset = 0 et Phase = 0 Valider la sortie CH2

Le gain KF de l'OCT est KF = 100 kHz/V, la tension maximale du signal modulant est VM = 0,2V (on travaille toujours avec la même excursion maximale de fréquence ∆F). Appliquer ce signal sur l'entrée Ext modulation 1. Ce sera votre signal modulant. Avec un "Té" en sortie CH2, appliquer également ce signal modulant sur la deuxième voie de l'oscilloscope. Observer le signal modulé (en sortie CH1) : sa période donc sa fréquence change au rythme de la seconde (puisque Fm = 1Hz) Observer ensuite son spectre, Vérifier que sa fréquence change au rythme de la seconde. Faire en sorte que la raie centrale à 100 kHz (Ve = 0V) soit au centre de l'écran.

• Relever le spectre en pointant avec 2 curseurs son encombrement spectral (ajouter 5 s de persistance (Display/ Persist / 5s) pour la copie d'écran).

• Donner la valeur B de cet encombrement spectral.

La règle de Carson B = 2 ××××( ∆∆∆∆F + fm) permet de calculer cet encombrement spectral. Dans ce cas fm très faible devant ∆F , en conséquence B = 2 ×( ∆F + fo) ≅ 2 × ∆F .

• Calculer B , comparer avec la valeur mesurée. Fréquence du signal modulant Fo = 10 kHz Changer la fréquence du signal modulant (CH2) à FO = 10 kHz. Remarque : ∆F reste le même.

• Calculer m. • Calculer l'encombrement spectral B à partir de la règle de Carson B = 2 ×( ∆F + fo)

Synchroniser l'oscilloscope sur le signal modulant, régler la base de temps pour voir une période du signal modulant sur l'écran. Arrêter le balayage en activant RUN/STOP. Observer la modulation de fréquence.

• Relever le spectre en pointant l'encombrement spectral B donné par la règle de Carson (qui dit que 98% de la puissance du signal est dans cette bande B) Mesurer-le. Compter le nombre de raies présentes dans la bande B.


Dépendance de B avec l'amplitude et la fréquence du signal modulant • Dépend-il de la fréquence du signal modulant ? Le vérifier en changeant cette fréquence (CH2).

Dépend-il de l'amplitude du signal modulant ? Le vérifier en changeant cette amplitude.

4.3.5 Influence de l'indice de modulation Il faut se rappeler que les amplitudes des raies du spectre d'un signal modulé en fréquence (par un signal sinusoïdal de fréquence Fo) correspondent aux valeurs des fonctions de Bessel JN(m) La raie à la fréquence porteuse FP est en JO(m) Les raies à la fréquence porteuse FP±FO sont en J1(m) Les raies à la fréquence porteuse FP±2FO sont en J2(m) ….. Elles dépendent donc essentiellement de l'indice de modulation m. On constate (courbe des fonctions de Bessel ci-dessous) que JO(2,4) = 0 Si m = 2,4, la porteuse disparaît !

• Sachant que l'excursion maximale de fréquence ∆F n'a pas changé, calculer la fréquence du signal modulant pour que l'indice de modulation soit égale à 2.4

Changer la fréquence du signal modulant (CH2) à cette fréquence. ∆F n'a pas changé.

• Relever le spectre du signal ainsi modulé en fréquence en plaçant un curseur sur la fréquence centrale. Cela correspond-il à la théorie ?

4.3.6 Mesures de l'excursion maximale de fréquence à partir du signal modulé Revenir au signal modulant à 10 kHz : CH2 : Régler le signal modulant (CH2) avec une fréquence de 10 kHz et une amplitude crête à crête de 400 mV

Sélectionner "Continuous" Régler la fréquence à 10 kHz (Frequences / 10 / kHz) Régler l’amplitude crête à crête à 400 mV Offset = 0 et Phase = 0 Valider la sortie CH2

• Recalculer l'excursion maximale de fréquence ∆F

Calculer l'indice de modulation. Observer le signal modulée en fréquence (CH1) en synchronisant l'oscilloscope sur lui et en réglant la base de temps pour voir entre 1 et 2 périodes de ce signal.

• Relever ce signal. Pour faire apparaître la modulation de la période, dans le mode ACQUIRE, valider l'option ENVELOPPE (ou display / persist / 5s) en pointant avec 2 curseurs 2 ×××× ∆∆∆∆T

• En déduire ∆T En déduire ∆F

Attention on ne peut pas en déduire que : T1F ∆=∆ mais : 2

20

1PFT

TTF

TF ⋅∆−=∆−=∆⇒=

• Comparer la valeur ∆F ainsi mesurée à celle calculée.


4.4 Démodulation par détection en quadrature C'est un démodulateur non cohérent, utilisant un déphaseur à 90° pour convertir la variation de fréquence en variation de phase suivi d'un multiplieur + filtre passe-bas pour convertir cette variation de phase en variation de tension.

4.4.1 Fonction Déphaseur 90° :

Installer la fonction "Déphaseur 90°". Appliquer sur son entrée le signal CH1 sinusoïdal à 100 kHz et momentanément non modulé (CH2 non activé). Régler le potentiomètre du déphaseur, afin que le signal en sortie soit déphasé de 90° par rapport au signal d'entrée (à 100 kHz). Le mieux, pour cela, est d'observer simultanément à l'oscilloscope l'entrée et la sortie du déphaseur et de se mettre mode X-Y (Display / X vs Y / On). La courbe de Lissajous est alors un cercle droit (autrement dit non penché).

• Relever cette courbe de Lissajous.

4.4.2 Fonction comparateur de phase Il est constitué d'un multiplieur et d'un "Filtre passe-bas"

4.4.2.1 Multiplieur

Il génère S = K×Y + Z Appliquer en X le signal modulé en fréquence et en Y le signal en sortie du déphaseur (Cf. la figure ci-contre). L'entrée peut rester en l'air car, alors, une résistance à la basse applique Z = 0

4.4.2.2 Filtre passe-bas

Ce sera le filtre du 5ème ordre. Le filtre doit laisser "passer" le signal modulant à 10 kHz et "couper" la fréquence double de la porteuse. • Sur quelle position devez-vous placer le cavalier mobile?

4.4.3 Démodulation de fréquence Valider CH2 pour que le signal en sortie CH1 soit modulé en fréquence. Observer à l'oscilloscope le signal modulant (CH2) et le signal démodulé en sortie du filtre passe-bas. Ajuster la fréquence de coupure du filtre passe-bas afin d'avoir un bon signal démodulé

• Relever alors simultanément la tension modulante, le signal modulé et la tension démodulée.

4.4.4 Application Audio Remplacer le signal modulant issu de la voie 2 du générateur par le signal issu de la carte son du PC et le cordon "Jack-M – BNC" Choisir un fichier musical, par exemple AmeliePoulain.wav (Intranet , Rubrique : TP / En GTR1A / Cycles1 / MF). Appliquer le signal démodulé sur le haut-parleur amplifié.

• Faire une démonstration du bon fonctionnement devant un enseignant.

Documents

TpModFreq