La modulation radio FM

Le signal à diffuser

Le signal SOURCE

Le signal SOURCE est généralement constitué de deux canaux AF G et D (stéréophonie) et représente le signal sonore à transmettre.

En exploitation, dans une chaîne d’émission et de réception stable, ce sont les variations des niveaux G et D qui devront être évaluées et comparées avec celles issues d’un récepteur ou d’un démodulateur FM

Le signal SOURCE est caractérisé comme suit :

• le niveau est exprimé en dBu et représente la valeur maximum de l’amplitude du signal sonore SOURCE et non l’amplitude du signal sonore diffusé. En mode dynamique, la valeur du niveau du signal SOURCE n’est pas représentative de la valeur de la déviation du signal FM. Des écarts importants peuvent même être constatés, en fonction de la nature même du signal et du type de traitement sonore effectué (compression, expansion, déphasage, modification de l’équilibre spectral initial, etc…) auxquels s’ajoutent les modifications apportées par la chaîne de transport et d’émission : préaccentuation, filtrage, codage, ajout de sous-porteuse(s)…
• le spectre du signal AF comprend une plage de fréquences dont la limite supérieure atteint 20 kHz ou davantage, en fonction de la nature des sources sonores.

La mise en conformité du signal SOURCE

Les règles de modulation FM intégrant des notions de rapport signal/bruit et de protection « co-canal » impliquent le respect de gabarits dans lesquels le signal modulant doit impérativement s’inscrire. Des modifications sont donc apportées au signal SOURCE :

La préaccentuation :
Dans le but d’améliorer le rapport signal/bruit de la chaîne complète de transmission (émission + réception), les signaux G et D (ou M et S) doivent être préaccentués suivant une caractéristique précise afin que la compatibilité soit assurée quel que soit le récepteur employé. La constante de temps adoptée est de 50 µS en Europe et de 75 µS aux USA.
Nota : la préaccentuation peut profondément modifier l’amplitude totale du signal, notamment si la répartition spectrale moyenne des signaux sonores n’est pas conforme à celle préconisée par la recommandation.

Le filtrage :
Le codage stéréophonique multiplex et la compatibilité mono/stéréo du parc de récepteurs impliquent que les signaux G et D soient filtrés suivant un gabarit limitant les fréquences hautes à F_AF = 15 kHz pour chaque canal audio.

Le signal codé stéréo multiplex

Le signal codé stéréo Multiplex (système à fréquence Pilote) doit être inscrit dans un spectre 30 Hz – 15 kHz pour le signal M (Middle : signal L+R) et 23 kHz – 53 kHz pour le signal S (Side : signal (L-R)/2). A la sortie d’un codeur stéréophonique, l’amplitude du signal MPX s’exprime en V_c/c.

Nota : les variations du niveau du signal multiplex (MPX) sont toujours supérieures ou égales à celles du signal SOURCE (signal AF G et D) compte tenu de l’indice élevé de préaccentuation. (Exemple : pour une fréquence du signal SOURCE de 5 kHz le niveau du signal MPX est augmenté de 6 dB).

Les sous-porteuses auxiliaires

Différents signaux peuvent être additionnés au signal multiplex stéréophonique.
Parmi ceux-ci :
RDS : fréquence centrale = 57 kHz – Largeur de bande maximum = ± 2,4 kHz de F₀
DARC : fréquence centrale = 76 kHz – Largeur de bande maximum = 60 kHz à 94 kHz (- 20 dB)
SCA audio (Fréquence centrale = 53 kHz – fréquence centrale – 76 khz)
Le signal MPX composite (multiplex stéréo + sous-porteuse(s)) est exprimé est V_c/c et possède les caractéristiques spectrales suivantes : 30 Hz – 76 kHz (aucune composante des fréquences auxiliaires ne peut dépasser la fréquence de 100 kHz avec des niveaux supérieurs à – 40 dB).
Le signal MPX composite appelé aussi « signal bande de base » est donc le signal qui entre dans le modulateur de l’émetteur.
Ce sont les caractéristiques de ce signal qui fixent les valeurs de déviation et d’indice de modulation de la porteuse RF FM. Dans le langage commun et par défaut, signal MPX signifie : signal multiplex composite.

Le signal modulant

C’est le signal MPX modulant l’émetteur.
Le signal restitué par le modulateur est composé d’une porteuse RF de fréquence centrale F_RFdont la variation de la fréquence ± Δ F est proportionnelle à l’amplitude du signal MPX.
-Recommandation IUT-R R BS.450.2 (2.2.3.5) : « en aucun cas, l’excursion maximale de la porteuse principale par le signal de base ne doit dépasser ± 75 kHz ».
Les amplificateurs RF ne modifient pas les caractéristiques du signal RF modulé, leur bande de travail étant généralement beaucoup plus large.

Le signal émis

La déviation de fréquence et l’indice de modulation

Le signal modulant doit être examiné de 2 façons :

• Sur un plan « temporel ». Dans ce cas, le strict respect d’une valeur d’excursion limitée à ± 75 kHz de F_RF constitue une règle suffisante à l’équilibre des amplitudes des niveaux électriques démodulés entre les différents programmes reçus par un récepteur.
• Sur le plan « spectral ». Le problème est très différent.
  En effet, la largeur de bande occupée par une émission FM obéit à des règles relativement complexes impliquant l’utilisation des fonctions de Bessel pour leurs démonstrations.

Une bonne approximation constitue à évaluer la bande occupée par la formule simplifiée (règle de Carson) suivante :
En mono : bande occupée en kHz = 2 x (F_AF + ΔF_RF)
Ainsi un signal AF sinusoïdal de F_AF = 1 kHz provoquant une déviation de Δ F_RF = ± 75 kHz occupe une bande de : 152 kHz.
Pour une même déviation (Δ F_RF = 75 kHz) mais avec un signal AF de fréquence F_AF = 15 kHz, la bande occupée passe à 180 kHz.
En stéréophonie, le calcul est encore plus complexe, le signal n’étant plus sinusoïdal.
Pour des signaux de fréquences élevées en mode G = -D, l’occupation du spectre peut dépasser 250 kHz !

Conclusion : la déviation n’est donc pas la largeur de bande mais a nécessairement des effets sur la largeur de bande.
Ces observations montrent que le simple respect d’une valeur maximum d’excursion de ± 75 kHz sur un signal dynamique ne permet pas d’affirmer que le signal de modulation FM est conforme aux spécifications et aux gabarits normalisés, notamment en matière de protection « co-canal » (rapport de protection). Par voie de conséquence, un crête-mètre placé en sortie des voies audio du signal SOURCE d’un studio de diffusion, dont le niveau de référence serait calibré à l’aide d’un signal permanent F_AF = 1 kHz dans le but d’obtenir 0 dBu_pp = excursion de ± 75 kHz ne peut pas constituer un contrôle suffisant sur un signal dynamique (programme) et ne permet donc pas d’assurer le respect des recommandations en matière d’excursion et de protection d’une émission FM.

La puissance du signal Multiplex

La protection des canaux adjacents est donc directement liée à l’énergie spectrale du signal modulé, c’est-à-dire, en mode dynamique, aux déviations instantanées de tous les signaux modulants. Ceci introduit la notion de « puissance du signal MPX ».

La définition suivante est aujourd’hui préconisée en France et en Allemagne :
Recommandation IUT-R R BS.412.7 (§ 2.3 et Note 4) : « Les rapports de protection en radiofréquence supposent que l’excursion maximale de fréquence de ± 75 kHz n’est pas dépassée. De plus, on suppose que la puissance du signal multiplex complet (y compris le signal pilote et les signaux supplémentaires) intégrée sur tout intervalle de 60s, ne dépasse pas la puissance d’un signal multiplex qui contient un signal sinusoïdal unique causant une excursion de crête de ± 19 kHz ».

Une méthode respectant la recommandation précédente est parfaitement détaillée dans un document édité par le CEPT/ERC (Commission Européenne des Postes et Télécommunications) qui intéresse cette fois l’ensemble des communautés radiophoniques européennes :
Recommandation CEPT/ERC/REC 54-01 E (+ Annexe 2) : « Method of measuring the maximum frequency deviation of FM broadcast emissions in the band 87.5 MHz to 108 MHz at monitoring stations ».

Une approche d’évaluation de la répartition de l’énergie est possible via l’utilisation d’un analyseur de spectre et d’un « masque » de visualisation. Cette méthode est décrite dans le document :
Recommandation CEPT/ERC/REC 54-01 E (Annexe 1) : « Simple spectrum mask based method to indicate the exceeding of frequency deviation limits ». Toutefois, cette méthode n’est pas optimisée sachant qu’on ne peut guère attendre des résultats fiables de mesures de signaux apériodiques à l’aide d’un analyseur de spectre. Il est intéressant de mettre en oeuvre cette manipulation, lorsque le signal est situé largement hors norme, afin de comprendre la répartition de l’énergie dans le but de trouver les remèdes les mieux adaptés.

La recommandation CEPT/ERC/REC 54-01 E annonce : « La méthode du masque est de type go – no go et ne peut pas remplacer une mesure précise de l’excursion ».

En conclusion, un signal diffusé de type dynamique (programme) réputé intégralement compatible avec les caractéristiques de réception (plan de fréquences, niveau de champ reçu) et avec les caractéristiques des récepteurs (largeur de bande FI, principe de démodulation, courbe de réponse AF, désaccentuation, filtre de bande AF) doit impérativement respecter les recommandations en matière de gabarits d’amplitude et de largeur de bande.
Le signal doit donc rester en accord avec les grandes règles suivantes, au risque de subir des dégradations non maîtrisées et de provoquer des interférences, intermodulations et autres brouillages aux canaux adjacents, dans les limites des zones de couverture et de recouvrement des plans de fréquences.
– Une excursion crête instantanée maximum de ± 75 kHz.
Nota : Certains organismes de Radiodiffusion admettent des dépassements exceptionnels de la valeur maximum ± 75 kHz, sans risque mesurable de dégradation des conditions de réception et des rapports de protection, sous réserve que la somme des durées pendant lesquelles la déviation est > ± 75 kHz reste inférieure ou égale à une durée de 10^-5 du temps complet de l’observation (0,001%).

• Une répartition spectrale moyenne du signal SOURCE conforme aux recommandations :
• UIT-R BS.412-7 (Note 4) : « …signal de modulation de bruit coloré suivant Recommandation UIT-R BS.641 ».
• UIT-R BS.641 (§ 3) : «…le bruit coloré normalisé, décrit en détail dans la Recommandation UIT-R BS.559, doit être limité à la bande nécessaire… ».
• UIT-R BS.559-2 (§ 1.3) : «…le signal approprié est un bruit coloré normalisé, dont la répartition spectrale est proche de celle de la musique de danse moderne… ».
• Une puissance du signal multiplex intégrée sur tout intervalle de 60s ne dépassant pas 0dB (0dB = puissance du signal de référence).

Le signal reçu

Le signal RF

Dans des conditions normales de réception, le signal modulant la porteuse RF reçue est en tout point conforme au signal modulant la porteuse RF émise.
Toutefois, des conditions particulières de réception peuvent avoir une influence directe sur le signal démodulé dans le récepteur de mesure.
Quelques exemples :

• Un taux excessif de trajets multiples risquera de provoquer des distorsions AF en modifiant les conditions de travail du démodulateur FM ou du décodeur stéréo multiplex. L’emploi d’une antenne directive peut s’avérer nécessaire.
• Un signal RF de niveau insuffisant ne permettra pas de mesurer correctement le signal AF démodulé utile, tant le bruit sera significatif dans la valeur mesurée.

Le signal FI

Le signal FM est transposé dans une Fréquence Intermédiaire (FI). Cette transformation ne modifie pas (ou peu) le signal (filtres de présélection RF).
En revanche, les étages de fréquence intermédiaire (FI) du récepteur sont parfaitement calibrés en rapport avec les caractéristiques normalisées de largeur de bande du signal. En effet :

• Avec des filtres provoquant une bande passante trop large, le récepteur serait peu sélectif et affecté d’un rapport de protection hors normes, laissant les canaux adjacents perturber le canal principal
• Avec des filtres provoquant une bande passante trop étroite, le récepteur ne serait plus capable de restituer fidèlement le spectre du signal modulant et affecterait le signal démodulé de graves distorsions et déphasages impliquant des restrictions de performances AF de courbe de réponse, de linéarité et de diaphonie des canaux stéréophoniques
• Les filtres garantissant le meilleur compromis rapport de protection/fidélité sont donc conformes au respect des rapports de protection recommandés

A contrario, si le signal modulant ne respecte pas les conditions nécessaires au fonctionnement optimisé du filtrage FI du récepteur, les mêmes phénomènes se produisent. Ainsi :

• Un signal FM dont l’excursion n’est pas conforme aux recommandations risque d’être filtré au travers des filtres de bande FI ou AF du récepteur. Dans ce cas, le signal filtré est différent du signal d’origine et ses valeurs d ‘amplitude peuvent être affectées d’erreurs importantes (sur-oscillations, distorsions harmoniques, distorsions d’intermodulation). Ce phénomène est couramment observé lorsque la puissance et le spectre moyen du signal modulant sont situés largement au-delà des recommandations. (C’est l’équivalent d’un signal modulant conforme transitant dans un filtre FI trop étroit).
• Un signal RF de fréquence adjacente au canal mesuré et affecté d’une excursion non conforme (largeur de bande trop importante) provoque des brouillages audibles et non prévisibles sur le canal en cours d’observation. (C’est l’équivalent d’un signal modulant conforme et d’un brouilleur transitant dans un filtre FI trop large).
• Le signal démodulé
  Lorsque le signal est démodulé dans le récepteur, sa forme est identique au signal modulant : il s’agit du signal MPX.
  Celui-ci doit ensuite subir un certain nombre d’opérations de décodage, filtrage et désaccentuation afin de retrouver les caractéristiques des niveaux sonores
• Le filtrage des signaux auxiliaires
  Le signal MPX est calibré au gabarit recommandé au travers d’un filtre de bande 30 Hz – 100 kHz.
  A partir de ce signal bande de base, des filtres spécialisés permettent d’extraire les signaux auxiliaires de fréquence 53 kHz… 100 kHz (RDS, DRAC, SCA) puis de les orienter vers les démodulateurs et décodeurs adaptés aux applications.
• Le décodage stéréophonique
  Un décodeur stéréophonique multiplex se charge de restituer les canaux AF Gauche et Droit en régénérant la sous-porteuse 38 kHz supprimée, à partir du signal pilote 19 kHz. Les signaux G et D disponibles sont généralement corrigés en phase et en réponse afin d’optimiser les performances audio.
• La mise en conformité du signal audio

Les signaux AF bénéficient ensuite de corrections permettant une restitution conforme du signal utile :

• La désaccentuation :
  Après avoir favorisé le spectre des fréquences élevées à l’émission, le signal AF est corrigé à l’aide d’une cellule disposant des mêmes constantes de temps qu’à l’émission. Ainsi, la courbe de réponse globale reste linéaire.
• Le filtrage :
  Chaque canal est filtré à la fréquence de 15 kHz de la façon la plus efficace possible afin d’atténuer au mieux le signal pilote de fréquence F = 19 kHz et d’améliorer les performances globales de rapport signal/bruit.

Conclusion :

Si la nature et le soin apporté aux caractéristiques des récepteurs sont essentiels, la nature et le soin apporté au respect des caractéristiques du signal modulant sont d’un même niveau d’importance ; les priorités sont en tout point équivalentes pour peu que l’objectif soit d’obtenir une qualité constante sur la chaîne totale d’une transmission FM (émission + réception) ET un respect des performances sur l’ensemble des canaux de la bande FM.