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La modulation de fréquence ou MF (FM en anglais) est un mode de modulation consistant à transmettre un signal par la modulation de la fréquence d'un signal porteur (porteuse).

On parle de modulation de fréquence par opposition à la modulation d'amplitude. En modulation de fréquence, l'information est portée par une modification de la fréquence de la porteuse, et non par une variation d'amplitude. La modulation de fréquence est plus robuste que la modulation d'amplitude pour transmettre un message dans des conditions difficiles (atténuation et bruit importants).

Pour des signaux numériques, on utilise une variante appelée modulation par déplacement de fréquence, ou, en anglais, frequency-shift keying (FSK). La FSK utilise un nombre limité de fréquences discrètes.

Historique |

Exemples d’application |

La modulation de fréquence est très largement utilisée, en particulier dans le domaine des télécommunications. Entre autres applications, on peut citer :

• certains modems (modulateur-demodulateur) bas débit utilisent la modulation de fréquence ;


• les radios de la « bande FM » émettent, comme leur nom l'indique, en modulation de fréquence (sur la bande VHF II) ;


• la synthèse FM, procédé musical de création de sons par modulations de fréquences entre plusieurs oscillateurs électroniques, à l'origine du légendaire synthétiseur DX7 de Yamaha, et plus récemment de divers synthétiseurs logiciels comme les FM7 et FM8 de Native Instruments ou l'Operator d'Ableton.


• les téléphones analogiques utilisent une technique apparentée pour composer les numéros : chaque chiffre est codé par l'émission simultanée d'une combinaison de deux fréquences (parmi 8) pour former un code DTMF. Il s'agit d'une variante de modulation FSK qui utilise plus de deux fréquences.

Théorie |

Cas général |

Notons xm(t),{displaystyle x_{mathrm {m} }(t),} le signal à transmettre, d’amplitude limitée telle que :

|xm(t)|≤1.{displaystyle |x_{mathrm {m} }(t)|leq 1.}

Notons xp{displaystyle x_{mathrm {p} }} la porteuse sinusoïdale :

xp(t)=Apcos⁡(2πfpt),{displaystyle x_{mathrm {p} }(t)=A_{p}cos(2pi f_{mathrm {p} }t),}

Avec :

• 
  fp{displaystyle f_{p}}, la fréquence de la porteuse en hertz ;


• 
  Ap{displaystyle A_{p}}, l’amplitude de la porteuse.

Le signal modulé en fréquence est alors le suivant :

y(t)=Apcos(2π∫0tf(τ)dτ){displaystyle y(t)=A_{p}cos !left(2pi int _{0}^{t}f(tau ),dtau right)}

La fréquence f{displaystyle f} précédemment introduite^[Où ?] est la fréquence instantanée de l'oscillateur, et non sa fréquence spectrale. Elle peut s’exprimer en fonction de la déviation en fréquence fΔ{displaystyle f_{Delta }}, c’est-à-dire la déviation maximale par rapport à la fréquence de la porteuse fp{displaystyle f_{mathrm {p} }} (pour xm(t){displaystyle x_{mathrm {m} }(t)} limité à l’intervalle [−1, 1]) :

f(t)=fp+fΔxm(t){displaystyle f(t)=f_{mathrm {p} }+f_{Delta }x_{mathrm {m} }(t)}.

Le signal

y(t)=Apcos(2π∫0tf(τ)dτ)=Apcos(2π∫0t[fp+fΔxm(τ)]dτ)=Apcos(2πfpt+2πfΔ∫0txm(τ)dτ){displaystyle {begin{aligned}y(t)&=A_{p}cos !left(2pi int _{0}^{t}f(tau ),dtau right)\&=A_{p}cos !left(2pi int _{0}^{t}left[f_{mathrm {p} }+f_{Delta }x_{mathrm {m} }(tau )right],dtau right)\&=A_{p}cos !left(2pi f_{mathrm {p} }t+2pi f_{Delta }int _{0}^{t}x_{mathrm {m} }(tau ),dtau right)\end{aligned}}}

Remarque

Bien qu'à première vue on puisse imaginer que les fréquences soient limitées à l'intervalle fp{displaystyle f_{mathrm {p} }} ± fΔ{displaystyle f_{Delta }}, ce raisonnement néglige la distinction entre fréquence instantanée et fréquence spectrale. Le spectre harmonique d'un signal FM réel possède des composantes qui vont jusqu'à des fréquences infinies, bien qu'elles deviennent rapidement négligeables.

Cas d'une modulation sinusoïdale |

Développements et simplifications |

Un cas intéressant à traiter est celui d’une modulation monochromatique, c’est-à-dire d’un signal modulant sinusoïdal.

xm(t)=Amcos⁡(2πfmt){displaystyle x_{m}(t)=A_{m}cos(2pi f_{m}t)}

Dans un tel cas, on peut développer l’intégrale du signal modulant dans l’expression du signal transmis y(t){displaystyle y(t)} précédemment exprimé dans le cas général :

∫0txm(τ)dτ=Amsin⁡(2πfmt)2πfm{displaystyle int _{0}^{t}x_{m}(tau )dtau ={frac {A_{m}sin(2pi f_{m}t)}{2pi f_{m}}}}

On peut finalement développer l’expression de y(t){displaystyle y(t)} à l’aide de la fonction de Bessel Jn(β){displaystyle J_{n}(beta )}, ce qui permet de modéliser formellement l'occupation spectrale d'une modulation FM :

y(t)=Apcos⁡(2πfpt+AmfmfΔsin⁡(2πfmt)){displaystyle y(t)=A_{p}cos(2pi f_{mathrm {p} }t+{frac {A_{m}}{f_{m}}}{f_{Delta }}sin(2pi f_{mathrm {m} }t))}

On peut alors introduire l’indice de modulation β=AmfmfΔ{displaystyle beta ={frac {A_{m}}{f_{m}}}{f_{Delta }}}, ce qui permet d’écrire plus simplement :

y(t)=Apcos⁡(2πfpt+βsin⁡(2πfmt)){displaystyle y(t)=A_{p}cos(2pi f_{mathrm {p} }t+beta sin(2pi f_{mathrm {m} }t))}

Modélisation à l’aide des fonctions de Bessel |

Pour simplifier les calculs, il est plus simple de raisonner avec des complexes, soit, en notant j{displaystyle j} l’unité imaginaire :

y_(t)=Ape2jπfptejβsin⁡(2πfmt)=x~(t)⋅e2jπfpt{displaystyle {begin{aligned}{underline {y}}(t)&=A_{p}e^{2jpi f_{mathrm {p} }t}e^{jbeta sin(2pi f_{mathrm {m} }t)}\&={tilde {x}}(t)cdot e^{2jpi f_{mathrm {p} }t}end{aligned}}}

Où l’on a noté x~=Apejβsin⁡(2πfmt){displaystyle {tilde {x}}=A_{p}e^{jbeta sin(2pi f_{mathrm {m} }t)}}, l’enveloppe complexe du signal modulé (la porteuse). Elle est périodique de fréquence fm{displaystyle f_{m}} et peut donc être développée en série de Fourier :

x~_(t)=Ap∑n=−∞+∞Cn_e2πjnfmt{displaystyle {underline {tilde {x}}}(t)=A_{p}sum _{n=-infty }^{+infty }{underline {C_{n}}}e^{2pi jnf_{m}t}}

Avec les coefficients :

Cn_=fm∫−1/2fm1/2fmejβsin⁡(2πfmt)e−2jnπfmtdt=12π∫−ππe−j(nx−βsin⁡x)dx{displaystyle {begin{aligned}{underline {C_{n}}}&=f_{m}int _{-1/2f_{m}}^{1/2f_{m}}e^{jbeta sin(2pi f_{m}t)}e^{-2jnpi f_{m}t}dt\&={frac {1}{2pi }}int _{-pi }^{pi }e^{-j(nx-beta sin x)}dxend{aligned}}}

Cette dernière intégrale n’est autre qu’une fonction de Bessel du premier type, d’ordre n{displaystyle n} et d’argument β{displaystyle beta }. Notre série de Fourier s’exprime donc simplement :

x~_(t)=Ap∑n=−∞+∞Jn(β)e2jπnfmt{displaystyle {underline {tilde {x}}}(t)=A_{p}sum _{n=-infty }^{+infty }J_{n}(beta )e^{2jpi nf_{m}t}}

Il ne reste plus qu’à remplacer ce résultat dans y_(t){displaystyle {underline {y}}(t)}, puis à prendre la partie réelle, pour obtenir le résultat final :

y(t)=Ap∑n=−∞+∞Jn(β)cos⁡(2π(fp+nfm)t).{displaystyle y(t)=A_{p}sum _{n=-infty }^{+infty }J_{n}(beta )cos(2pi (f_{mathrm {p} }+nf_{mathrm {m} })t).}

Avec les notations suivantes :

A{displaystyle A,!} : amplitude du signal	Jn(β){displaystyle J_{n}(beta ),!} : fonction de Bessel de première espèce
fp{displaystyle f_{mathrm {p} },!} : fréquence porteuse	β=AmfmfΔ{displaystyle beta ={frac {A_{m}}{f_{m}}}{f_{Delta }},!} : indice de modulation
fm{displaystyle f_{mathrm {m} },!} : fréquence de modulation	n{displaystyle n,!} : rang harmonique de fm{displaystyle f_{mathrm {m} }}, n∈N{displaystyle nin mathbb {N} }

En faisant varier β{displaystyle beta }, on fait varier l'intensité de la modulation, donc l'écart entre la fréquence la plus grande et la plus petite, qui alternent à la fréquence fm{displaystyle f_{mathrm {m} }}.

Cas de la FSK |

En FSK, le signal xm{displaystyle x_{mathrm {m} }} peut prendre un ensemble de valeurs discrètes xi{displaystyle x_{i}} (par exemple deux dans les modulations binaires), ce qui donne pendant la transmission d'une valeur xi{displaystyle x_{i}} :

y(t)=Acos⁡[2π∫0t(fp+fΔxi)dτ]=Acos⁡[2π(fp+fΔxi)t].{displaystyle y(t)=Acos left[2pi int _{0}^{t}(f_{p}+f_{Delta }x_{i}),dtau right]=Acos[2pi (f_{p}+f_{Delta }x_{i})t].}

On voit ainsi que la fréquence instantanée ne peut prendre qu'un ensemble discret de valeurs, une valeur pour chaque valeur xi{displaystyle x_{i}} du signal à transmettre.

En pratique, la commande de la fréquence peut se faire au moyen d'une tension appliquée à un OCT (oscillateur contrôlé en tension) ou VCO (voltage controlled oscillator), élément au cœur des générateurs de fonction actuels. La modulation d'un signal informatif numérisé, succession d'états haut et bas de durée variable, est transcrite en signal analogique après modulation. Le signal modulé présente des sauts de fréquence à chaque front du signal informatif.

Une technique de démodulation très courante utilise la boucle à verrouillage de phase. Associée à un système de décodage par circuits logiques, elle servit par exemple en téléphonie pour détecter la tonalité des signaux émis dans les systèmes de numérotation des claviers téléphoniques.

Règle de Carson |

De façon approchée, la règle de Carson indique qu'à peu près toute la puissance (~98 %) d'un signal modulé en fréquence est comprise dans la bande de fréquences :

2(fΔ+fmax),{displaystyle 2(f_{Delta }+f_{mathrm {max} }),}

où fΔ{displaystyle f_{Delta }} est la déviation maximale de la fréquence instantanée f(t){displaystyle f(t)} à partir de la fréquence de la porteuse fp{displaystyle f_{mathrm {p} }} (en supposant que xm(t){displaystyle x_{mathrm {m} }(t)} est dans l'intervalle [−1, 1]), et fmax{displaystyle f_{mathrm {max} }} est la plus grande fréquence du signal à transmettre xm(t){displaystyle x_{mathrm {m} }(t)}.

Note : la modulation de fréquence peut être vue comme un cas particulier de la modulation de phase où la modulation en phase de la porteuse est l'intégrale temporelle du signal à transmettre.

Dans l'usage courant, la fréquence de modulation est toujours inférieure à la fréquence porteuse, mais ne pas suivre cette règle peut donner des résultats intéressants, notamment en synthèse sonore.

Références |

• A. Spataru, Fondements de la théorie de la transmission de l'information, Presses Polytechniques romandes.


• R. Manneville, J. Esquieu, Électronique (systèmes de communication), Dunod.


• J. Hervé, Électronique appliquée à la transmission de l'information, Masson.


• J. Auvray, Électronique des signaux échantillonnés et numériques, Masson.


• M. Girard, Boucles à verrouillage de phase, McGraw-Hill.


• M. Schwartz, Information transmission, modulation and noise, McGraw-Hill.

Voir aussi |

Articles connexes |

• Edwin Howard Armstrong


• Frequency-shift keying


• Modulation d'amplitude


• Synthèse FM

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