Je vous propose ici une synthèse rapide de ce qui différencie une émission radio en AM ou en FM, d'une émission en mode BLU. Etant novice dans le domaine des ondes, je voulais savoir ce qui caractérise une radio BLU et quel est son intérêt.
En cherchant sur Internet, on trouve des explications pour la BLU souvent résumées : Bande Latérale Unique, avec ou sans porteuse... mais cela n'aide pas à la compréhension, entendez par là toucher du doigt le phénomène.
J'aime comprendre ce que je fais, aussi je voulais une explication certes simplifiée, mais qui parte d'un phénomène ondulatoire. Une radio émet des ondes. Voilà le départ.
Une onde simple, peut être représentée par un graphique comme une vague, avec des crêtes et des creux dont le modèle se répète dans le temps. On nomme cette courbe une sinusoïde, car pour ceux qui font des maths, c'est la fonction sinus (ou cosinus).
Cette fonction est générée par le parcours d'un point sur un cercle, elle est donc périodique :
Pour transmettre un signal (une information), on va "moduler" cette onde, c'est à dire la modifier. Il y a plusieurs méthodes pour le faire, j'en retiens 2 :
- Soit on change la fréquence de l'onde (c'est le mode FM pour Modulation de Fréquence), c'est à dire on change l'intervalle de répétition du modèle, en gros on joue à l'accordéon avec le schéma ci-dessus. Vous faites tourner le cercle 2 fois plus vite, et le signal sera 2 fois plus resserré. Vous battez le tempo plus lentement, et les signaux seront plus espacés.
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Ici on compare 2 signaux sonores modulés en fréquence,
l'onde du haut se répète plus rapidement que celle du bas.
(pour les musiciens, il s'agit d'une différence d'une octave) |
- Soit on change l'amplitude de l'onde, c'est à dire que l'on étire l'onde vers le haut et vers le bas et non plus selon l'axe horizontal, on obtient de la modulation d'amplitude (AM)
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Animation temporelle pour comparer les modulations :
en haut une onde de base,
en rouge on module l'amplitude
en bleu on module la fréquence |
La modulation en AM et en BLU
Pour comprendre la différence qui existe entre un signal modulé en AM (modulation d'amplitude) et un signal modulé en BLU, le plus facile est d'observer comment se présentent les deux signaux sur l’écran d’un analyseur de spectre. Ici on ne parle plus de courbe représentative selon le temps (la sinusoïde), mais de courbe par rapport à d'autres fréquences.
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| Pas de signal ici |
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Là, on analyse une onde de fréquence de 3,5 MHz,
donc à droite ce sont des fréquences plus hautes et à gauche des fréquences plus basses |
L'onde principale que l'on génère, celle qui servira de référence, est appelée onde porteuse. Si je la module simplement en amplitude, on sera en AM.
Si nous avons un émetteur en AM qui transmet sur la fréquence de 3,5 MHz, soit 3 500 000 Hz, en l'absence de modulation, nous voyons seulement le signal des 3,5 MHz.
Pour transmettre une information, par exemple de la voix, on va ajouter une onde à l'onde porteuse. Comme ce sont des fonctions mathématiques (sinusoïdales), on peut additionner / retrancher / multiplier les ondes. On obtient alors d'autres formes de courbe, et aussi des effets sur les fréquences adjacentes.
Si nous modulons les 3 500 000 Hz avec un signal de 200 Hz, sur les côtés de la porteuse centrale, apparaissent deux autres signaux :
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Un sur la fréquence inférieure de : 3500 000 – 200 = 3 499 800 Hz Et l’autre sur la fréquence supérieure de : 3500 000 + 200 = 3500200 Hz |
Dans une modulation d'amplitude, le signal modulant (la voix, la musique, les données, etc.) modifie l'amplitude de la fréquence porteuse en fonction de son contenu. La partie du signal modulant qui correspond à des fréquences inférieures à celle de la fréquence porteuse est appelée la bande latérale inférieure (BLI, ou LSB en anglais), tandis que la partie du signal modulant qui correspond à des fréquences supérieures à celle de la fréquence porteuse est appelée la bande latérale supérieure (BLS, ou USB en anglais).
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Pour les matheux (sinon sauter ce paragraphe), on peut écrire que la tension du signal AM en fonction du temps, fonction notée P(t) s'écrit avec les paramètres suivants :
U = tension crête de la porteuse sans modulation
u = tension crête de la modulation seule
F = fréquence de la porteuse
f = fréquence de la modulante
m = indice de modulation et m = K . u/U
alors
- P(t) = U. cos (2.π.F.t) sans modulation (onde porteuse)
- S(t) = u. cos (2.π.f.t) signal modulant seul (signaux message)
- Ce que l'on cherche : M(t) = U . cos (2.π.F.t) . [(1 + K . cos (2.π.f.t)] avec modulation, on mélange les signaux
Démonstration :
Moduler l’amplitude de ce signal sinusoïdal P(t) consiste à transformer son amplitude constante U en une fonction affine de la tension modulante U(t) de la forme a t + b :
U(t) = [K . S(t) + U ] où K est une constante .
Le résultat de cette modulation donne le signal modulé ayant pour équation :
M(t) = [K . S(t) + U] . cos (2.π.F.t)
on a simplement remplacé U par la fonction affine de U
M(t) = [K . U . cos (2.π.f.t) + U] . cos (2.π.F.t) remplacement de S(t) par sa formule générale
M(t) = U . [(1 + K. cos (2.π.f.t)]. cos (2.π.F.t) mise en facteur de U
M(t) = U . cos (2.π.F.t) . [(1 + K. cos (2.π.f.t)] CQFD (mise en forme pour faciliter la lecture de mes élèves) :)
M(t) = U . cos (2.π.F.t) + K . U . cos (2.π.F.t) . cos (2.π.f.t) développement du dernier terme
or (cos a) . (cos b) = 1/2 [cos (a + b) + cos (a - b)] vous rappelez-vous des cours de math du lycée :)
donc on obtient :
- M(t) = U . cos (2.π.F.t) + U . (1/2) . K . [cos (2.π.F.t + 2.π.f.t ) + cos (2.π.F.t - 2.π.f.t)]
Décomposé (par distribution), cela donne bien 3 signaux que nous observons ci-dessus :
| M(t) = U.cos (2.π.F.t) | + 0,5 .U.K . cos (2.π.F.t + 2.π.f.t ) | + 0,5 .U.K . cos (2.π.F.t - 2.π.f.t) |
| Signal de la porteuse | Second signal ( BLS ) | Troisième signal ( BLI ) |
En fait, K est l'indice de modulation qui caractérise l'amplitude du signal modulant.
Si le taux de modulation K est de 100%, alors la tension de la porteuse est le double de celle d'une bande latérale. En terme de puissance (pour rappel la puissance est notée P = U . I donc proportionnelle à la tension U), la porteuse contient la moitié de la puissance émise, le reste étant pour les bandes latérales.
Cela signifie que pour une émission type de 100 w, la porteuse contient 50 w et chaque bande 25 w, d'où l'intérêt de travailler avec une seule bande latérale comme nous allons le voir ci-dessous.
Nota : pour les puristes, le signal BLU est généré par translation de fréquence de la modulante au moyen de la transformée de Hilbert, à la différence de AM qui est créée par multiplication de la porteuse avec la modulante. On n'utilise donc pas les mêmes fonctions mathématiques dans les 2 cas.
Notez que cet article écrit après avoir longuement et laborieusement essayé de comprendre, est une vulgarisation comportant un exercice de maths appliqués afin d'introduire le sujet Radio Amateur auprès de mon jeune public au lycée. Bref, c'était pour mes élèves, mais je vous le partage volontiers car, comme d'habitude sur Internet, je n'ai pas trouvé de synthèse : j'ai dû la faire moi même...
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Maintenant, si l'on choisit le mode LSB de la radio et que nous utilisons la même fréquence de 3 500 000 Hz pour la transmission, en la modulant avec un signal de 200 Hz, nous verrons apparaître sur l’écran, un seul signal HF à : 3500 000 – 200 = 3 499 800 Hz
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Mode LSB : Lower Side Band
La bande la plus basse |
En mode USB, nous avons le même signal mais de l'autre côté de la porteuse supprimée.
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Mode USB : Upper Side Band
La bande la plus haute |
Vous l'avez compris, le mode USB et LSB sont 2 modes de BLU dont on ne garde qu'une partie du signal. L'élimination des signaux de la porteuse et/ou d'une bande latérale se fait par un filtre électronique placé en sortie du mélangeur d'onde (on avait mélangé 3500 000 Hz et 200 Hz ci-dessus).
Inconvénient :
Pour écouter les émetteurs qui transmettent en BLU, il faut un récepteur qui permet de recréer la porteuse HF qui a été supprimée, voici pourquoi ceux qui tenteraient de les capter avec un récepteur AM classique ne réussiraient pas à décoder un seul mot.
Intérêts :
- Il faut beaucoup moins de puissance pour émettre en mode BLU, car le signal ne comporte pas l'onde porteuse : pas besoin d'énergie pour la générer, elle est enlevée par des filtres avant d'atteindre l'amplificateur précédant l'antenne émettrice.
- Le signal est dès le début filtré très étroit (on ne laisse passer qu'une bande étroite de fréquence que l'on veut ajouter, environ 2,7 kHz en BLU contre plus de 6 kHz en AM), on parvient ainsi à réduire la “figure de bruit” donc la quantité de bruit. Même avec une mauvaise propagation (condition de mer, horaire de transmission...), les informations restent compréhensibles et sans trop de distorsion.
Conclusion :
Le mode BLU est souvent utilisé sur les bandes de fréquences marines (et radio amateur) pour des communications longue portée. Les conditions d'émission sont souvent difficiles en mer et l'énergie de bord comptée.
On entend parfois dire que c'est une technologie "has been", comprenez dépassée, mais c'est un système radio très robuste et complètement indépendant des réseaux téléphonique ou satellite.
Son coût d'utilisation est proche de zéro, elle permet d'envoyer aussi bien des échanges voix que data (mails ou fichiers météo) gratuitement. En comparaison, information de janvier 2023, la minute d'appel Iridium est de 2 $, pour un service identique en terme de débit...
Seul Starlink pourrait changer la donne (très bon haut débit), bien que son forfait de base soit à 150 € mensuel et qu'il dépende du bon vouloir de M. Elon Musk (il a déjà changé les prix des forfaits sans préavis...).
