Architectures Analogiques Transmission Information - Semestre 7

Annee Universitaire : 2023-2024
Semestre : 7
Credits : 2.5 ECTS
Specialite : Electronique Analogique et RF

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PART A - Presentation Generale du Module

Vue d'ensemble

Ce cours aborde les architectures analogiques pour la transmission d'information, avec un focus sur les systemes de modulation/demodulation et les chaines d'emission/reception radio-frequence (RF). Il couvre les techniques de modulation analogique (AM, FM), les oscillateurs, les multiplieurs, et les architectures de recepteurs.

Objectifs pedagogiques :

• Maitriser les techniques de modulation et demodulation analogiques
• Comprendre les architectures de chaines RF (emission et reception)
• Concevoir des oscillateurs et circuits de synthese de frequence
• Analyser les performances des systemes de transmission (bruit, linearite)
• Dimensionner des circuits pour applications radio

Position dans le cursus

Ce module s'appuie sur :

• Electronique Fonctions Analogiques (S6) : AOPs, filtres actifs
• Signal (S5) : modulation, transformee de Fourier
• Circuits et Filtres analogiques (S5) : filtres, adaptation d'impedance

Il prepare a :

• Telecommunications : conception de systemes RF
• Systemes embarques communicants : IoT, radio courte portee
• Instrumentation RF : generateurs, analyseurs

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PART B - Experience Personnelle et Contexte d'Apprentissage

Organisation et ressources

Le module etait organise en cours magistraux et travaux diriges :

Cours magistraux (20h) :

Couvrant les themes principaux :

• Modulation et demodulation AM/FM
• Oscillateurs (theorie et applications)
• Multiplieurs analogiques
• Architectures de recepteurs (superheterodyne)
• Boucles a verrouillage de phase (PLL)

Travaux diriges (16h) :

5 TD avec corrections disponibles :

• TD1 a TD5 : exercices d'application sur modulation, oscillateurs, multiplieurs

Supports pedagogiques :

• Document de cours principal (ArchiUF_2022-2023.pdf)
• Notes de cours sur oscillateurs (Notes-cours-Theorie-Osc.pdf)
• Documents techniques (multiplieurs ADI, oscillateurs a quartz)
• Annales 2018-2019, 2021-2022 avec corrections

Contenu des ressources

Documents techniques disponibles :

• Multiplieurs : ADI Multiplier Applications Guide, multiplieurs 1 a 4 quadrants
• Oscillateurs : theorie, oscillateurs a quartz (AN3208)
• Modulation FM : modulation et demodulation FM
• Detection : demodulation par detection d'enveloppe
• Circuits specifiques : RLC avec resistance negative, redresseur sans seuil

Methode de travail

Cours theorique :

Beaucoup de schemas et d'analyses de circuits. Comprehension des principes de fonctionnement des modulateurs, demodulateurs, et oscillateurs.

TD pratiques :

Calculs de performances (taux de modulation, deviation de frequence, gain, bruit). Dimensionnement de composants.

Annales :

Examens de 2018-2019 et 2021-2022 avec corrections pour s'entrainer.

Difficultes rencontrees

Analyse frequentielle :

Comprendre le spectre des signaux modules (raies, bandes laterales) demande une bonne maitrise de la transformee de Fourier.

Circuits RF complexes :

Les architectures superheterodynes avec changements de frequence multiples sont complexes a apprehender.

Oscillateurs :

Conditions d'oscillation (Barkhausen), stabilite de frequence, bruit de phase sont des concepts subtils.

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PART C - Aspects Techniques Detailles

1. Modulation d'amplitude (AM)

Principe :

Faire varier l'amplitude d'un signal porteur sinusoidal en fonction du signal d'information (message).

Signal porteur : p(t) = Vp cos(2π fp t)
Signal modulant (message) : m(t)

Signal module AM : s(t) = Vp [1 + m × m(t)] cos(2π fp t)

ou m est l'indice de modulation (0 < m <= 1).

Indice de modulation :

m = (Vmax - Vmin) / (Vmax + Vmin)

• Si m < 1 : pas de surmodulation (bon)
• Si m > 1 : surmodulation, distorsion (mauvais)

Spectre du signal AM :

Pour un signal modulant sinusoidal m(t) = cos(2π fm t) :

s(t) = Vp cos(2π fp t) + (m Vp / 2) cos(2π (fp + fm) t) + (m Vp / 2) cos(2π (fp - fm) t)

Trois composantes :

• Porteuse a fp
• Bande laterale superieure a fp + fm
• Bande laterale inferieure a fp - fm

Bande passante :

BW = 2 × fm (frequence max du message)

Efficacite :

La porteuse ne contient pas d'information utile. Puissance utile seulement dans les bandes laterales.

Rendement energetique = m² / (2 + m²)

Pour m = 1 : rendement = 33% (faible !)

Variantes :

Type	Description	Avantage
AM classique	Porteuse + 2 BL	Simple a demoduler
DSB (Double Sideband)	2 BL sans porteuse	Meilleur rendement
SSB (Single Sideband)	1 BL seulement	Bande passante divisee par 2

2. Demodulation AM

Detection d'enveloppe :

Methode la plus simple pour demoduler l'AM.

Circuit :

• Diode (redressement)
• Condensateur (filtrage)
• Resistance (charge)

Principe :

La diode redresse le signal module. Le condensateur suit l'enveloppe (amplitude variable) du signal.

Dimensionnement :

Constante de temps RC doit verifier :

• 1/fp << RC (pour filtrer la porteuse)
• RC << 1/fm (pour suivre les variations du message)

Compromis : 1/fp << RC << 1/fm

Detection synchrone (demodulation coherente) :

Multiplier le signal recu par une porteuse synchrone (meme frequence et phase).

Necessite une recuperation de porteuse (PLL).

Plus complexe mais meilleure qualite (fonctionne pour DSB et SSB).

3. Modulation de frequence (FM)

Principe :

Faire varier la frequence de la porteuse proportionnellement au signal modulant.

Frequence instantanee : f(t) = fp + kf × m(t)

ou kf est la sensibilite du modulateur (Hz/V).

Deviation de frequence :

Δf = kf × Vm (amplitude max du message)

Indice de modulation :

β = Δf / fm

ou fm est la frequence du message.

Spectre du signal FM :

Le spectre contient une infinite de raies (theoriquement) espacees de fm.

Amplitude des raies donnee par les fonctions de Bessel Jn(β).

Bande passante (regle de Carson) :

BW = 2 (Δf + fm) = 2 fm (β + 1)

Pour β >> 1 (large bande) : BW ≈ 2 Δf
Pour β << 1 (bande etroite) : BW ≈ 2 fm

FM large bande vs bande etroite :

Type	β	Bande	Application
NBFM	< 0,5	2 fm	Communications radio professionnelles
WBFM	> 1	2 Δf	Radio FM broadcast (88-108 MHz)

Avantages de la FM :

• Immunite au bruit d'amplitude
• Meilleure qualite audio
• Capture effect (signal fort capture le recepteur)

Inconvenient :

Bande passante plus large que l'AM.

4. Demodulation FM

Discriminateur de frequence :

Convertit les variations de frequence en variations d'amplitude, puis detection d'enveloppe.

Principe :

• Circuit derivateur ou reseau dephaseur
• Transforme la FM en AM
• Detection d'enveloppe classique

Demodulateur a PLL :

Utilise une boucle a verrouillage de phase (PLL) qui suit la frequence instantanee.

La tension de commande du VCO (dans la PLL) est proportionnelle a la frequence d'entree : c'est le signal demodule.

Avantage :

• Meilleure linearite
• Moins sensible au bruit

5. Oscillateurs

Definition :

Circuit qui genere un signal periodique (sinusoidal ou carre) sans signal d'entree.

Condition d'oscillation (critere de Barkhausen) :

Pour un oscillateur boucle (amplificateur + reseau de retroaction) :

Boucle ouverte : H(jω) = A(jω) × Β(jω)

Conditions pour oscillation a ω0 :

1. |H(jω0)| = 1 (gain de boucle = 1)
2. arg(H(jω0)) = 0° ou 360° (dephasage de boucle multiple de 360°)

Demarrage des oscillations :

En pratique, on assure |H| legerement > 1 au demarrage pour que les oscillations s'amorcent (a partir du bruit).

Puis un mecanisme de limitation d'amplitude (saturation, compression) stabilise l'amplitude.

Types d'oscillateurs :

Oscillateurs RC :

Reseau de dephasage (3 cellules RC) + amplificateur.

Frequence : f ≈ 1 / (2π RC √6)

Avantage : composants simples
Inconvenient : stabilite moyenne

Oscillateurs LC :

Utilise un circuit resonant LC pour definir la frequence.

Frequence : f0 = 1 / (2π √(LC))

Oscillateur Colpitts :

Resonateur LC avec prise capacitive (2 condensateurs en serie).

Tres utilise en RF pour sa stabilite.

Oscillateur Clapp :

Variante du Colpitts avec condensateur serie dans l'inductance.

Meilleure stabilite en frequence.

Oscillateurs a quartz :

Utilise un cristal de quartz comme resonateur.

Avantages :

• Tres haute stabilite en frequence (ppm)
• Facteur de qualite Q tres eleve (10^4 a 10^6)

Applications :

• Horloges (montres, microcontroleurs)
• Bases de temps precises
• References de frequence

Frequences standards :

• 32,768 kHz (horlogerie)
• 10 MHz (reference laboratoire)
• Quelques MHz a quelques dizaines de MHz (electronique)

6. Multiplieurs analogiques

Definition :

Circuit qui realise la multiplication de deux signaux : Vout = k × V1 × V2

Applications :

Application	Description
Modulation	Multiplier porteuse × message
Demodulation	Multiplier signal recu × porteuse locale
Melangeur (mixer)	Transposition de frequence
Detecteur de phase	Comparaison de phase dans PLL
Controle automatique de gain	Multiplication par tension de controle
Puissance	Calcul V × I

Types de multiplieurs :

Multiplicateur 4 quadrants :

V1 et V2 peuvent etre positifs ou negatifs.

Multiplication complete : Vout = k V1 V2

Multiplicateur 2 quadrants :

Un signal bipolaire, l'autre unipolaire.

Multiplicateur 1 quadrant :

Les deux signaux unipolaires (positifs seulement).

Exemple de circuit : cellule de Gilbert :

Circuit a transistors (BJT ou MOS) qui realise une multiplication.

Base de nombreux multiplieurs integres (AD633, AD834, etc.).

Modulation par multiplieur :

AM : s(t) = [Vdc + m(t)] × cos(ωp t)

Le signal modulant est additionne a une composante continue avant multiplication avec la porteuse.

Transposition de frequence (melangeur) :

Multiplier deux signaux sinusoidaux :

V1 = A cos(ω1 t)
V2 = B cos(ω2 t)

Resultat :

Vout = (AB/2) [cos((ω1 - ω2) t) + cos((ω1 + ω2) t)]

Deux nouvelles frequences : somme et difference.

Application : changement de frequence dans recepteurs (superheterodyne).

7. Architectures de recepteurs

Recepteur superheterodyne :

Architecture classique utilisee dans la majorite des recepteurs radio.

Principe :

Transposer le signal RF recu vers une frequence intermediaire fixe (FI) ou le traitement est plus facile.

Blocs fonctionnels :

1. Antenne : reception du signal RF
2. Filtre RF : selection de la bande (rejet des frequences indesirables)
3. Amplificateur RF (LNA) : amplification faible bruit
4. Melangeur : transposition RF → FI
5. Oscillateur local (OL) : generation de la frequence de transposition
6. Filtre FI : selectivite du canal (bande passante etroite)
7. Amplificateur FI : gain principal du recepteur
8. Demodulateur : extraction du signal d'information
9. Amplificateur audio/video : amplification du signal demodule

Frequence intermediaire :

f_FI = |f_RF - f_OL|

Choix typique de FI :

• AM broadcast : 455 kHz ou 10,7 MHz
• FM broadcast : 10,7 MHz
• TV : 36-45 MHz

Avantages du superheterodyne :

• Selectivite elevee (filtre FI fixe, bien optimise)
• Gain eleve stable (amplification a FI fixe)
• Facilite de reglage (varier seulement f_OL)

Probleme de l'image :

Deux frequences RF peuvent donner la meme FI :

• f_RF = f_OL + f_FI (signal desire)
• f_image = f_OL - f_FI (image indesirable)

La frequence image est a 2 × f_FI du signal desire.

Solution :

Filtre RF qui rejette la frequence image avant le melangeur.

Double changement de frequence :

Pour ameliorer le rejet de l'image et la selectivite, on peut utiliser deux FI successives.

RF → FI1 (elevee) → FI2 (basse) → demodulation

Exemple : FI1 = 10,7 MHz, FI2 = 455 kHz

8. Boucle a verrouillage de phase (PLL)

Principe :

Systeme boucle qui asservit la phase (et donc la frequence) d'un oscillateur local sur un signal de reference.

Blocs :

1. Comparateur de phase : compare la phase du signal d'entree et du VCO
2. Filtre de boucle : filtre passe-bas (integrateur)
3. VCO (Voltage Controlled Oscillator) : oscillateur commande en tension

Fonctionnement :

• Si phase VCO en retard : tension de commande augmente → frequence VCO augmente
• Si phase VCO en avance : tension de commande diminue → frequence VCO diminue

En regime verrouille :

Le VCO suit exactement la frequence et la phase de l'entree.

Applications :

Application	Description
Synthese de frequence	Generer des frequences precises et programmables
Demodulation FM	La tension de commande du VCO est le signal demodule
Recuperation de porteuse	Extraire la porteuse d'un signal module
Recuperation d'horloge	Synchronisation dans transmissions numeriques
Multiplication de frequence	Avec diviseur dans la boucle

Synthetiseur de frequence :

PLL avec diviseur de frequence dans la boucle de retour.

f_VCO = N × f_ref

En variant N (diviseur programmable), on genere differentes frequences multiples de f_ref.

Exemple :

• f_ref = 10 kHz (quartz stable)
• N variable de 8800 a 10800
• f_VCO variable de 88 MHz a 108 MHz (bande FM)

Resolution : 10 kHz (pas entre canaux)

9. Circuits specifiques

Redresseur sans seuil :

Redresseur utilisant un AOP pour compenser la chute de tension de la diode (0,6-0,7 V).

Permet de redresser des signaux de faible amplitude (quelques mV).

Circuit :

• AOP en boucle fermee avec diode
• La contre-reaction compense le seuil de la diode

Resistance negative :

Circuit actif (avec AOP ou transistor) qui presente une resistance negative.

Application :

Compenser les pertes dans un circuit RLC pour maintenir les oscillations.

Circuit RLC + resistance negative = oscillateur.

Convertisseur tension-frequence (VCO) :

Circuit dont la frequence de sortie est proportionnelle a la tension d'entree.

f_out = k × V_in

Types :

• VCO LC (inductance-capacite variable, varicap)
• VCO RC (multivibrateur avec temps de charge variable)
• VCO integre (4046, 566, etc.)

Applications :

• Modulation FM (V_in = signal modulant)
• PLL (oscillateur commande)
• Conversion analogique-numerique

10. Performances et specifications

Sensibilite :

Signal minimum detectable par le recepteur.

Limitee par le bruit (thermique + composants).

Sensibilite (dBm) = Plancher de bruit + SNR minimum

Figure de bruit (Noise Figure - NF) :

Mesure la degradation du rapport signal sur bruit due au recepteur.

NF (dB) = SNR_entree (dB) - SNR_sortie (dB)

Pour des etages en cascade (formule de Friis) :

NF_total = NF1 + (NF2 - 1)/G1 + (NF3 - 1)/(G1 × G2) + ...

Importance du premier etage (LNA) : doit avoir faible NF et gain eleve.

Selectivite :

Capacite a separer le canal desire des canaux adjacents.

Definie par la bande passante du filtre FI.

Dynamique :

Plage entre signal minimum (sensibilite) et signal maximum (saturation/intermodulation).

Gain :

Amplification totale du recepteur.

Typiquement 60-120 dB, reparti sur plusieurs etages.

Controle automatique de gain (AGC) :

Circuit qui ajuste automatiquement le gain pour maintenir un niveau de sortie constant malgre les variations du signal d'entree.

Evite la saturation sur signaux forts et maintient SNR sur signaux faibles.

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PART D - Analyse Reflexive et Perspectives

Competences acquises

Conception de chaines RF :

Comprehension des architectures completes d'emission et reception. Capacite a dimensionner chaque etage et analyser les performances globales.

Modulation/demodulation :

Maitrise des techniques AM et FM, calculs de spectres, choix de parametres (indice de modulation, deviation).

Circuits RF :

Conception d'oscillateurs, multiplieurs, melangeurs. Comprehension des conditions d'oscillation et stabilite.

Points cles a retenir

1. Superheterodyne = architecture dominante :

La transposition vers FI est la solution standard depuis des decennies. Simple, efficace, eprouvee.

2. Compromis bande/qualite :

AM : bande etroite mais qualite moyenne. FM : bande large mais meilleure qualite et immunite au bruit.

3. Oscillateurs : stabilite cruciale :

La stabilite de frequence des oscillateurs determine la qualite du systeme. Quartz pour haute stabilite.

4. Bruit : limitation fondamentale :

Le bruit thermique et le bruit des composants limitent la sensibilite. Le premier etage (LNA) est critique.

5. PLL : outil polyvalent :

La PLL est utilisee partout : synthese de frequence, demodulation, recuperation de synchronisation.

Applications pratiques

Radio FM/AM :

Les recepteurs radio classiques utilisent l'architecture superheterodyne enseignee dans ce cours.

Telecommunications sans fil :

GSM, WiFi, Bluetooth utilisent des architectures derivees (souvent avec conversion numerique apres la FI).

Instrumentation :

Analyseurs de spectre, generateurs de signaux emploient les techniques de modulation et melange.

Systemes embarques IoT :

Modules radio courte portee (LoRa, Sigfox, ZigBee) bases sur ces principes.

Retour d'experience

Cours riche et pratique :

Le cours couvre beaucoup d'aspects des systemes RF. Les TD permettent de consolider avec des calculs concrets.

Documents techniques utiles :

Les application notes (ADI, oscillateurs a quartz) apportent une vision industrielle et pratique.

Annales bien corrigees :

Les corrections detaillees des examens 2018-2019 et 2021-2022 aident beaucoup a la preparation.

Lien theorie/pratique :

Le cours fait bien le lien entre la theorie (analyse spectrale, conditions d'oscillation) et les circuits reels.

Limites et ouvertures

Limites du module :

• Peu de TP pratiques (mesures RF)
• Modulations numeriques non traitees (QPSK, QAM, etc.)
• Aspects propagation et antennes limites

Ouvertures vers :

• Communications numeriques : modulations numeriques, codage canal
• RF avancee : architectures Zero-IF, SDR (Software Defined Radio)
• Systemes MIMO : diversite spatiale, beamforming
• 5G/6G : bandes mmWave, massive MIMO
• IoT : protocoles radio basse consommation (LoRa, NB-IoT)

Evolution technologique

Tendances actuelles :

SDR (Software Defined Radio) :

Numerisation le plus tot possible dans la chaine, traitement en DSP. Flexibilite maximale.

Integration :

SoC RF integrant toute la chaine sur une puce (emetteur, recepteur, DSP, processeur).

Bandes mmWave :

5G utilise 24-40 GHz. Defis : attenuation, conception RF complexe.

Efficacite energetique :

IoT necessite des radios ultra-basse consommation (μW en veille, mW en emission).

Conseils pour reussir

1. Maitriser les bases :

Bien comprendre modulation AM/FM, spectres, bande passante avant d'attaquer les architectures.

2. Faire les TD :

Les 5 TD avec corrections sont essentiels. Refaire sans regarder les corrections.

3. Etudier les annales :

Les examens 2018-2019 et 2021-2022 donnent le format et le niveau attendus.

4. Comprendre les schemas :

Savoir lire et analyser les schemas blocs des chaines RF (identifier chaque fonction).

5. Ordre de grandeur :

Connaitre les valeurs typiques (FI, frequences radio, gains, NF).

Conclusion

Ce cours fournit une excellente base en architectures RF analogiques. Meme si la tendance est a la numerisation (SDR), la chaine RF analogique (antenne → LNA → melangeur → ADC) reste incontournable.

Complementarite :

Ce cours s'articule bien avec les cours de traitement numerique du signal et de communications numeriques pour une vision complete des telecommunications.

Pertinence professionnelle :

Les competences acquises sont directement applicables dans l'industrie des telecommunications, de l'IoT, et de l'instrumentation RF.

Message principal :

Comprendre les architectures RF analogiques est fondamental pour tout ingenieur en electronique et telecommunications. C'est la base sur laquelle reposent tous les systemes sans fil modernes.

Recommandations :

• Approfondir avec des simulations (ADS, LTspice pour RF)
• Pratiquer avec des kits RF (modules SDR, analyseurs de spectre)
• Explorer les datasheets de circuits integres RF (emetteurs-recepteurs)
• Se former aux communications numeriques en complement

Liens avec les autres cours :

• Electronique Fonctions Analogiques - S6 : AOPs, filtres
• Signal - S5 : transformee de Fourier, modulation
• Embedded IA for IoT - S9 : systemes communicants

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Documents de Cours

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Cours suivi en 2023-2024 a l'INSA Toulouse, Departement Genie Electrique et Informatique.