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📡 Architectures Analogiques Transmission Information - Semestre 7

Année Universitaire : 2023-2024
Semestre : 7
Crédits : 2.5 ECTS
Spécialité : Électronique Analogique et RF

PART A - Présentation Générale du Module

Vue d'ensemble

Ce cours aborde les architectures analogiques pour la transmission d’information, avec un focus sur les systèmes de modulation/démodulation et les chaînes d’émission/réception radio-fréquence (RF). Il couvre les techniques de modulation analogique (AM, FM), les oscillateurs, les multipliieurs, et les architectures de récepteurs.

Objectifs pédagogiques :

Position dans le cursus

Ce module s’appuie sur :

Il prépare à :

PART B - Expérience Personnelle et Contexte d’Apprentissage

Organisation et ressources

Le module était organisé en cours magistraux et travaux dirigés :

Cours magistraux (20h) : Couvrant les thèmes principaux :

Travaux dirigés (16h) : 5 TD avec corrections disponibles :

Supports pédagogiques :

Contenu des ressources

Documents techniques disponibles :

Méthode de travail

Cours théorique : Beaucoup de schémas et d’analyses de circuits. Compréhension des principes de fonctionnement des modulateurs, démodulateurs, et oscillateurs.

TD pratiques : Calculs de performances (taux de modulation, déviation de fréquence, gain, bruit). Dimensionnement de composants.

Annales : Examens de 2018-2019 et 2021-2022 avec corrections pour s’entraîner.

Difficultés rencontrées

Analyse fréquentielle : Comprendre le spectre des signaux modulés (raies, bandes latérales) demande une bonne maîtrise de la transformée de Fourier.

Circuits RF complexes : Les architectures superhétérodynes avec changements de fréquence multiples sont complexes à appréhender.

Oscillateurs : Conditions d’oscillation (Barkhausen), stabilité de fréquence, bruit de phase sont des concepts subtils.

PART C - Aspects Techniques Détaillés

1. Modulation d'amplitude (AM)

Principe :

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

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

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

où m est l’indice de modulation (0 < m <= 1).

Indice de modulation :

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

Spectre du signal AM :

Pour un signal modulant sinusoïdal 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 :

Bande passante :

BW = 2 × fm (fréquence max du message)

Efficacité :

La porteuse ne contient pas d’information utile. Puissance utile seulement dans les bandes latérales.

Rendement énergétique = m² / (2 + m²)

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

Variantes :

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

2. Démodulation AM

Détection d’enveloppe :

Méthode la plus simple pour démoduler l’AM.

Circuit :

Principe : La diode redresse le signal modulé. Le condensateur suit l’enveloppe (amplitude variable) du signal.

Dimensionnement :

Constante de temps RC doit vérifier :

Compromis : 1/fp « RC « 1/fm

Détection synchrone (démodulation cohérente) :

Multiplier le signal reçu par une porteuse synchrone (même fréquence et phase).

Nécessite une récupération de porteuse (PLL).

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

3. Modulation de fréquence (FM)

Principe :

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

Fréquence instantanée : f(t) = fp + kf × m(t)

où kf est la sensibilité du modulateur (Hz/V).

Déviation de fréquence :

Delta f = kf × Vm (amplitude max du message)

Indice de modulation :

beta = Delta f / fm

où fm est la fréquence du message.

Spectre du signal FM :

Le spectre contient une infinité de raies (théoriquement) espacées de fm.

Amplitude des raies donnée par les fonctions de Bessel Jn(beta).

Bande passante (règle de Carson) :

BW = 2 (Delta f + fm) = 2 fm (beta + 1)

Pour beta » 1 (large bande) : BW ≈ 2 Delta f Pour beta « 1 (bande étroite) : BW ≈ 2 fm

FM large bande vs bande étroite :

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

Avantages de la FM :

Inconvénient : Bande passante plus large que l’AM.

4. Démodulation FM

Discriminateur de fréquence :

Convertit les variations de fréquence en variations d’amplitude, puis détection d’enveloppe.

Principe :

Démodulateur à PLL :

Utilise une boucle à verrouillage de phase (PLL) qui suit la fréquence instantanée.

La tension de commande du VCO (dans la PLL) est proportionnelle à la fréquence d’entrée : c’est le signal démodulé.

Avantage :

5. Oscillateurs

Définition :

Circuit qui génère un signal périodique (sinusoïdal ou carré) sans signal d’entrée.

Condition d’oscillation (critère de Barkhausen) :

Pour un oscillateur bouclé (amplificateur + réseau de rétroaction) :

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

Conditions pour oscillation à ω0 :

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

Démarrage des oscillations :

En pratique, on assure H légèrement > 1 au démarrage pour que les oscillations s’amorcent (à partir du bruit).

Puis un mécanisme de limitation d’amplitude (saturation, compression) stabilise l’amplitude.

Types d’oscillateurs :

Oscillateurs RC :

Réseau de déphasage (3 cellules RC) + amplificateur.

Fréquence : f ≈ 1 / (2π RC sqrt(6))

Avantage : composants simples Inconvénient : stabilité moyenne

Oscillateurs LC :

Utilise un circuit résonant LC pour définir la fréquence.

Fréquence : f0 = 1 / (2π sqrt(LC))

Oscillateur Colpitts :

Résonateur LC avec prise capacitive (2 condensateurs en série).

Très utilisé en RF pour sa stabilité.

Oscillateur Clapp :

Variante du Colpitts avec condensateur série dans l’inductance.

Meilleure stabilité en fréquence.

Oscillateurs à quartz :

Utilise un cristal de quartz comme résonateur.

Avantages :

Applications :

Fréquences standards :

6. Multipliieurs analogiques

Définition :

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

Applications :

Application Description
Modulation Multiplier porteuse × message
Démodulation Multiplier signal reçu × porteuse locale
Mélangeur (mixer) Transposition de fréquence
Détecteur de phase Comparaison de phase dans PLL
Contrôle automatique de gain Multiplication par tension de contrôle
Puissance Calcul V × I

Types de multipliieurs :

Multiplicateur 4 quadrants :

V1 et V2 peuvent être positifs ou négatifs. Multiplication complète : 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 à transistors (BJT ou MOS) qui réalise une multiplication.

Base de nombreux multipliieurs intégrés (AD633, AD834, etc.).

Modulation par multiplieur :

AM : s(t) = [Vdc + m(t)] × cos(ωp t)

Le signal modulant est additionné à une composante continue avant multiplication avec la porteuse.

Transposition de fréquence (mélangeur) :

Multiplier deux signaux sinusoïdaux : V1 = A cos(ω1 t) V2 = B cos(ω2 t)

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

Deux nouvelles fréquences : somme et différence.

Application : changement de fréquence dans récepteurs (superhétérodyne).

7. Architectures de récepteurs

Récepteur superhétérodyne :

Architecture classique utilisée dans la majorité des récepteurs radio.

Principe :

Transposer le signal RF reçu vers une fréquence intermédiaire fixe (FI) où le traitement est plus facile.

Blocs fonctionnels :

  1. Antenne : réception du signal RF
  2. Filtre RF : sélection de la bande (rejet des fréquences indésirables)
  3. Amplificateur RF (LNA) : amplification faible bruit
  4. Mélangeur : transposition RF → FI
  5. Oscillateur local (OL) : génération de la fréquence de transposition
  6. Filtre FI : sélectivité du canal (bande passante étroite)
  7. Amplificateur FI : gain principal du récepteur
  8. Démodulateur : extraction du signal d’information
  9. Amplificateur audio/vidéo : amplification du signal démodulé

Fréquence intermédiaire :

f_FI = f_RF - f_OL

Choix typique de FI :

Avantages du superhétérodyne :

Problème de l’image :

Deux fréquences RF peuvent donner la même FI :

La fréquence image est à 2 × f_FI du signal désiré.

Solution : Filtre RF qui rejette la fréquence image avant le mélangeur.

Double changement de fréquence :

Pour améliorer le rejet de l’image et la sélectivité, on peut utiliser deux FI successives.

RF → FI1 (élevée) → FI2 (basse) → démodulation

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

8. Boucle à verrouillage de phase (PLL)

Principe :

Système bouclé qui asservit la phase (et donc la fréquence) d’un oscillateur local sur un signal de référence.

Blocs :

  1. Comparateur de phase : compare la phase du signal d’entrée et du VCO
  2. Filtre de boucle : filtre passe-bas (intégrateur)
  3. VCO (Voltage Controlled Oscillator) : oscillateur commandé en tension

Fonctionnement :

En régime verrouillé : Le VCO suit exactement la fréquence et la phase de l’entrée.

Applications :

Application Description
Synthèse de fréquence Générer des fréquences précises et programmables
Démodulation FM La tension de commande du VCO est le signal démodulé
Récupération de porteuse Extraire la porteuse d’un signal modulé
Récupération d’horloge Synchronisation dans transmissions numériques
Multiplication de fréquence Avec diviseur dans la boucle

Synthétiseur de fréquence :

PLL avec diviseur de fréquence dans la boucle de retour.

f_VCO = N × f_ref

En variant N (diviseur programmable), on génère différentes fréquences multiples de f_ref.

Exemple :

Résolution : 10 kHz (pas entre canaux)

9. Circuits spécifiques

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 :

Résistance négative :

Circuit actif (avec AOP ou transistor) qui présente une résistance négative.

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

Circuit RLC + résistance négative = oscillateur.

Convertisseur tension-fréquence (VCO) :

Circuit dont la fréquence de sortie est proportionnelle à la tension d’entrée.

f_out = k × V_in

Types :

Applications :

10. Performances et spécifications

Sensibilité :

Signal minimum détectable par le récepteur.

Limitée par le bruit (thermique + composants).

Sensibilité (dBm) = Plancher de bruit + SNR minimum

Figure de bruit (Noise Figure - NF) :

Mesure la dégradation du rapport signal sur bruit due au récepteur.

NF (dB) = SNR_entrée (dB) - SNR_sortie (dB)

Pour des étages en cascade (formule de Friis) :

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

Importance du premier étage (LNA) : doit avoir faible NF et gain élevé.

Sélectivité :

Capacité à séparer le canal désiré des canaux adjacents.

Définie par la bande passante du filtre FI.

Dynamique :

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

Gain :

Amplification totale du récepteur.

Typiquement 60-120 dB, réparti sur plusieurs étages.

Contrôle automatique de gain (AGC) :

Circuit qui ajuste automatiquement le gain pour maintenir un niveau de sortie constant malgré les variations du signal d’entrée.

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

PART D - Analyse Réflexive et Perspectives

Compétences acquises

Conception de chaînes RF : Compréhension des architectures complètes d’émission et réception. Capacité à dimensionner chaque étage et analyser les performances globales.

Modulation/démodulation : Maîtrise des techniques AM et FM, calculs de spectres, choix de paramètres (indice de modulation, déviation).

Circuits RF : Conception d’oscillateurs, multipliieurs, mélangeurs. Compréhension des conditions d’oscillation et stabilité.

Points clés à retenir

1. Superhétérodyne = architecture dominante : La transposition vers FI est la solution standard depuis des décennies. Simple, efficace, éprouvée.

2. Compromis bande/qualité : AM : bande étroite mais qualité moyenne. FM : bande large mais meilleure qualité et immunité au bruit.

3. Oscillateurs : stabilité cruciale : La stabilité de fréquence des oscillateurs détermine la qualité du système. Quartz pour haute stabilité.

4. Bruit : limitation fondamentale : Le bruit thermique et le bruit des composants limitent la sensibilité. Le premier étage (LNA) est critique.

5. PLL : outil polyvalent : La PLL est utilisée partout : synthèse de fréquence, démodulation, récupération de synchronisation.

Applications pratiques

Radio FM/AM : Les récepteurs radio classiques utilisent l’architecture superhétérodyne enseignée dans ce cours.

Télécommunications sans fil : GSM, WiFi, Bluetooth utilisent des architectures dérivées (souvent avec conversion numérique après la FI).

Instrumentation : Analyseurs de spectre, générateurs de signaux emploient les techniques de modulation et mélange.

Systèmes embarqués IoT : Modules radio courte portée (LoRa, Sigfox, ZigBee) basés sur ces principes.

Retour d'expérience

Cours riche et pratique : Le cours couvre beaucoup d’aspects des systèmes RF. Les TD permettent de consolider avec des calculs concrets.

Documents techniques utiles : Les application notes (ADI, oscillateurs à quartz) apportent une vision industrielle et pratique.

Annales bien corrigées : Les corrections détaillées des examens 2018-2019 et 2021-2022 aident beaucoup à la préparation.

Lien théorie/pratique : Le cours fait bien le lien entre la théorie (analyse spectrale, conditions d’oscillation) et les circuits réels.

Limites et ouvertures

Limites du module :

Ouvertures vers :

Évolution technologique

Tendances actuelles :

SDR (Software Defined Radio) : Numérisation le plus tôt possible dans la chaîne, traitement en DSP. Flexibilité maximale.

Intégration : SoC RF intégrant toute la chaîne sur une puce (émetteur, récepteur, DSP, processeur).

Bandes mmWave : 5G utilise 24-40 GHz. Défis : atténuation, conception RF complexe.

Efficacité énergétique : IoT nécessite des radios ultra-basse consommation (µW en veille, mW en émission).

Conseils pour réussir

1. Maîtriser 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. Étudier les annales : Les examens 2018-2019 et 2021-2022 donnent le format et le niveau attendus.

4. Comprendre les schémas : Savoir lire et analyser les schémas blocs des chaînes RF (identifier chaque fonction).

5. Ordre de grandeur : Connaître les valeurs typiques (FI, fréquences radio, gains, NF).

Conclusion

Ce cours fournit une excellente base en architectures RF analogiques. Même si la tendance est à la numérisation (SDR), la chaîne RF analogique (antenne → LNA → mélangeur → ADC) reste incontournable.

Complémentarité : Ce cours s’articule bien avec les cours de traitement numérique du signal et de communications numériques pour une vision complète des télécommunications.

Pertinence professionnelle : Les compétences acquises sont directement applicables dans l’industrie des télécommunications, de l’IoT, et de l’instrumentation RF.

Message principal : Comprendre les architectures RF analogiques est fondamental pour tout ingénieur en électronique et télécommunications. C’est la base sur laquelle reposent tous les systèmes sans fil modernes.

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