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Cours de physique-chimie tous niveaux

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CAPES-Montage physique n°7 :
Expériences illustrant la transmission et la réception d’un signal sonore

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Introduction :

Les systèmes de télécommunication ont pour objet de transmettre des informations à l’aide d’un signal qui se propage.
Que ce soit la radio, la télévision ou bien la téléphonie, le procédé de modulation paraît la solution la plus efficace : le signal à transmettre (basse fréquence) est utilisé pour modifier l’une des caractéristiques d’un signal porteur (fréquence élevée) .

On ne peut pas en effet, transmettre en direct une voix humaine par exemple car :

  • On ne pourrait pas la distinguer des parasites.
  • La dimension des antennes, de l’ordre de la longueur d’onde λ du signal à transmettre serait irréaliste (f = 1kHz donne λ = 300 km).
  • De plus, l’antenne en question ne serait pas adaptée pour une grande plage de fréquence.

Les avantages de la modulation sont :

  • La portée du signal est d’autant plus grande que la fréquence de la porteuse (signal porteur) est élevée.
  • Les antennes sont plus petites et mieux adaptées.
  • On peut transporter plusieurs signaux sur le faisceau hertzien si les fréquences des porteuses sont différentes.

Etudions ici la modulation la plus simple à mettre en œuvre expérimentalement : la modulation d’amplitude.

I Principe de la modulation d'amplitude :

Principe de la modulation d'amplitude

On utilise le multiplicateur AD633JN :

Schéma du multiplicateur AD633JN

Ce multiplicateur donne : W = 0.1*(X1 - X2)*(Y1 - Y2) + Z
On veut : W = Y*(1 + k*X).
Il faut donc que l'on relie X2 et Y2 à la masse et Z à Y1.

Visualisation du signal à l'oscilloscope :

Signal obtenu à l'oscilloscope

Rq : l'enveloppe du signal est matérialisée par un trait qui n'existe pas en réalité.

Pour avoir une bonne synchronisation, on peut brancher W sur l'entrée CH1 de l'oscilloscope et X1 sur l'entrée CH2.

Mesure du taux de modulation :

On se place dans le mode XY de l'oscilloscope : CH1 = f(CH2). On obtient alors :

Oscilloscope en mode XY : expression de Y = f(X)

Or X varie par définition de U0 - Um à U0 + Um.
Donc Y varie de A - m*A à A + m*A. Ce qui donne :

Oscilloscope en mode XY : signal

Limite de la modulation d'amplitude :

On peut augmenter progressivement la fréquence de la porteuse et observer que le signal de sortie se déforme :
On a atteint les limites en fréquence du multiplicateur.
Mais pour une fréquence correcte de la porteuse, le signal n'est pas déformé pour la gamme de fréquence audible. On le montre en faisant varier f de 0 à 20 kHz.

II Principe de la démodulation d'amplitude :

Détection en valeur moyenne :

Montage de détection en valeur moyenne

Détection d'enveloppe :

Montage de détection d'enveloppe

Lorsque s < s', la diode est bloquée et le condensateur qui s'était chargé quand s > s', se décharge dans la résitance R.

Suppression de la composante continue :

Montage de suppression de la composante continue

III Rôle des antennes : transmission et reception d'un signal modulé en amplitude :

L'antenne émettrice sera constituée d'un fil d'une longueur d'un mètre relié à la sortie du multiplieur.
Théoriquement, en haute fréquence, des ondes stationnaires se crééent dans l'antenne. Pour que cette antenne soit accordée, il faut que sa longueur soit un multiple du quart de la longueur d'onde du signal porteur : on a donc une antenne quart d'onde.

En théorie, il y a deux possibilités pour constituer une antenne réceptrice :

  • Un fil rectiligne qui sera colinéaire au champ électrique de l'onde porteuse donc colinéaire à l'antenne émettrice : ceci engendrera une force électromotrice (fem) d'induction.
  • Une boucle conductrice dont la normale sera colinéaire au champ magnétique de l'onde porteuse donc perpendiculaire à l'antenne émettrice : ceci engendrera une force électromotrice (fem) d'induction.

En pratique, on utilisera un fil antenne relié à un circuit LC dit bouchon (celui-ci s'apelle ainsi car à la résonnance, l'impédance du circuit tend vers l'infini et empêche le courant de circuler). On peut visualiser sur un oscilloscope la tension aux bornes du circuit bouchon. Pour visualiser correctement celui-ci, il faut calculer la fréquence d'accord du circuit bouchon : il faut donc régler les valeurs des composants condensateur et bobine pour obtenir Fac = Fport :

Circuit bouchon

Conclusion :

Nous avons illustrer ici le principe de la modulation grâce à la modulation d'amplitude. Même si celle-ci n'est pas la plus intéressante réellement, elle permet de comprendre aisément le principe de modulation-démodulation et le rôle de chaque signal. De plus, elle est facile à mettre en oeuvre expérimentalement.