Modulation - Demodulation BFSK

Pr. Hicham Belkebir

April,2022

Génération et démodulation du signal BFSK

Introduction
Dans sa forme la plus simple, la modulation par déplacement de fréquence (BFSK)
est le schéma de modulation de fréquence (FM) utilisant comme modulant un
signal de données numériques. En tant que tel, l’avantage de la BFSK sur
l’ASK est similaire aux avantages de la modulation FM sur l’AM (principalement
l’immunité au bruit).
Rappelons que le bruit se manifeste par des variations de l’amplitude du signal
transmis. Comme la démodulation AM/ASK est conçue pour répondre aux
variations d’amplitude du signal, le processus de démodulation répond également
au bruit, en l’ajoutant au message récupéré.
Pour les transmissions AM, le bruit supplémentaire se fait entendre sous forme
de sifflements, de craquements et de claquements. Pour les transmissions ASK,
le bruit ajouté peut modifier l’état logique des bits et corrompre les données
numériques.
La FM/BFSK résiste à ce problème (bien qu’il n’en soit pas complètement à
l’abri) car la démodulation est conçue pour répondre aux variations de fréquence
du signal. Cela étant, toute variation d’amplitude du signal due au bruit peut
être supprimée par le biais d’un limiteur.
La figure ci-dessous montre à quoi ressemble un signal BFSK coïncidant dans le
temps avec le signal de données numériques qui a été utilisé pour le générer.
Notez que le signal BFSK bascule entre deux ondes sinusoïdales. L’onde sinu-
soïdale qui correspond aux 0 logiques dans les données numériques est appelée
fréquence spatiale. L’onde sinusoïdale qui correspond aux 1 logiques dans les
données numériques est appelée fréquence de marque. Dans la figure ci-dessus,
la fréquence de marque est supérieure à la fréquence spatiale, mais ce n’est pas
une exigence nécessaire de la BFSK - la fréquence relative peut être inversée.

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 Figure 1: BFSK

Figure 2: Générateur BFSK

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Principe de génération de la BFSK
Comme vous pouvez le voir, cet arrangement utilise deux oscillateurs, l’un pour
la fréquence de marque du signal BFSK et l’autre sa fréquence spatiale. Les
oscillateurs sont connectés à un additionneur via des commutateurs électroniques
quelconques (il existe de nombreuses méthodes de mise en œuvre du commutateur,
nous ne nous soucierons donc pas exactement de la manière dont cela est réalisé
ici). Il est important de noter que l’un des commutateurs est contrôlé directement
par les données numériques tandis que l’autre est contrôlé par une copie inversée
des données.
Supposons maintenant que les interrupteurs logiques soient actifs au niveau
haut et donc fermés lorsque leur entrée est un 1 logique. Lorsque les données
numériques sont logiques-1, les entrées de l’additionneur sont connectées à f1
mais pas à f2 . Ensuite, lorsque le signal de données numériques est 0 logique, les
entrées de l’additionneur sont connectées à f2 mais pas à f1 . Cela étant, la sortie
de l’additionneur est une fréquence pour l’un des états logiques du signal de
données numériques et une fréquence différente pour l’autre. En d’autres termes,
la sortie de l’additionneur est un signal BFSK qui correspond aux données
numériques.
La démodulation BFSK peut être gérée par des démodulateurs FM conventionnels
tels que le détecteur de passage à zéro et la boucle à verrouillage de phase.
Alternativement, si le signal BFSK est passé à travers un filtre suffisamment
sélectif, les deux ondes sinusoïdales qui le composent peuvent être captées
individuellement. Considéré isolément, chaque signal est un signal ASK et les
données peuvent donc être récupérées en passant l’un ou l’autre à travers un
détecteur d’enveloppe.

Travail demandé

NB: Chaque partie de ce TP doit être réalisé d’abord par

simulation sur GNURadio avant d’entamer sa réalisation sur
l’Emona DxIQ-45G.
Pour cette expérience, vous utiliserez l’Emona DATEx pour implémenter la méth-
ode de commutation de génération d’un signal BFSK. Les données numériques
du message sont modélisées par le module Sequence Generator. Vous récupér-
erez ensuite les données en utilisant un filtre pour sélectionner l’une des ondes
sinusoïdales du signal BFSK et la démoduler à l’aide d’un détecteur d’enveloppe.
Cela devrait vous prendre environ 40 minutes pour terminer cette expérience.

Partie A – Configuration des signaux de commande de l’interrupteur

Pour implémenter la BFSK en utilisant la méthode de commutation, un échan-
tillon de signal de données numériques et une copie inversée de celui-ci sont

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nécessaires. Dans cette partie de l’expérience vous serez amené à les configurer.
1. Assurez-vous que l’interrupteur d’alimentation NI ELVIS III à l’arrière de
l’unité est éteint.
2. Branchez soigneusement le module complémentaire expérimental DXIQ-
45G dans le NI ELVIS III.
3. Connectez le NI ELVIS III au PC à l’aide du câble USB. Remarque : Cela
a peut-être déjà été fait pour vous.
4. Allumez l’interrupteur d’alimentation NI ELVIS III à l’arrière de l’unité,
puis allumez l’interrupteur d’alimentation de la carte de prototypage dans
le coin supérieur droit près du voyant d’alimentation.
5. Lancez le logiciel NI ELVISmx.
6. Lancez et exécutez l’alimentations de tension continue variable de NI ELVIS
III.

Figure 3: Power supply

7. Réglez la tension de sortie positive des alimentations variables sur 2 V.

8. Branchez les cables selon la configuration illustrée dans la figure ci-dessous.
Remarque : Insérez les fiches noires des câbles de l’oscilloscope dans une prise
de masse (GND).
La configuration de la figure précédente peut être représentée par le schéma
fonctionnel de la figure ci-dessous. Le module générateur de séquence est utilisé
pour modéliser un signal de données numérique et sa sortie SYNC est utilisée
pour déclencher l’oscilloscope afin de fournir un affichage stable. Le comparateur
du module Utilities, associé à une tension continue provenant des alimentations
variables NI ELVIS III, est utilisé pour inverser le signal de données numériques.

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 Figure 4: Montage 01

11. Lancez et exécutez l’Oscilloscope NI ELVIS III.

12. Ajustez l’oscilloscope pour voir le signal de données numériques et sa copie
inversée. Les paramètres de portée essentiels incluent :
• CH 1 Position verticale à -5V
• Base de temps à 1ms/div
• Type de déclenchement vers numérique
13. Comparez les signaux.
Remarque : Vous devez avoir un affichage stable des données
numériques modélisées par le module Générateur de séquence et une
copie inversée de celles-ci sur la sortie du comparateur.

Figure 5: check

5
Partie B – Implémentation de la méthode de commutation pour la
génération de la BFSK
Maintenant que les signaux de données numériques requis ont été configurés,
ils peuvent être utilisés pour commander les commutateurs électroniques qui
font partie du procédé de commutation de génération de BFSK décrit dans la
discussion préliminaire.
1. Exécutez le générateur de fonctions NI ELVIS III.
2. Ajustez le générateur de fonctions à l’aide de ses commandes logicielles
pour une sortie avec les spécifications suivantes :
• Forme d’onde : sinusoïdale
• Fréquence : 4kHz
• Amplitude : 4Vpp
• Décalage CC : 0 V
• Type de modulation : Aucun
3. Modifiez la configuration comme illustré à la figure ci-dessous.
Remarque : N’oubliez pas que les lignes pointillées indiquent les fils
déjà en place.

Figure 6: Montage 02

La configuration de la figure précédente peut être représentée par le schéma

fonctionnel de la figure ci-dessous. Le module Dual Analog Switch implémente
l’ensemble du processus de commutation nécessaire à la génération de la BFSK.
4. Comparez le signal de données numériques avec le signal BFSK sur la
sortie du module Dual Analog Switch.
Remarque : Vous devrez probablement remettre la commande de
position verticale du canal 1 de l’oscilloscope sur 0 V.

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 Figure 7: Digramme fonctionnel

 Question 1: Quel est le nom de la fréquence de sortie du module Dual

Analog Switch qui correspond aux 1 logiques dans les données numériques ?
>Conseil : Si vous n’êtes pas sûr, consultez la discussion préliminaire.
 Question 2: Quel est le nom de la fréquence de sortie du module Dual
Analog Switch qui correspond aux 0 logiques dans les données numériques ?
 Question 3: D’après vos observations du signal BFSK, laquelle des deux
est la fréquence la plus élevée ? Expliquez votre réponse.

Figure 8: check

Partie C - Composition spectrale du signal BFSK

Lorsque l’on regarde le signal BFSK dans le domaine temporel, il est assez clair
qu’il est composé de seulement deux ondes sinusoïdales. Ou est-ce? La partie
suivante de l’expérience vous permet d’étudier le signal BFSK dans le domaine
fréquentiel à l’aide de l’analyseur de signal dynamique NI ELVIS III.
1. Activer l’onglet de l’analyseur spectral dans la fenêtre de l’oscilloscope.
2. Ajustez les paramètres de contrôle de l’analyseur comme suit:
• Paramétrage de la FFT
– Plage fréquentielle de 0 a 20 kHz
– Fenêtre de 7 Term B-Harris
• Paramétrage du déclencheur (Trigger):
– Mettez sur digital

7
 NB: L’analyseur de signal NI ELVIS III a deux curseurs C1 et C2
qui se placent par défaut sur le côté le plus à gauche de l’affichage
lorsque l’interface visual de l’analyseur de signal est lancé. Ils sont
repositionnés en “saisissant” leurs lignes verticales avec la souris et
en déplaçant la souris vers la gauche ou vers la droite.
3. Utilisez la souris pour saisir et déplacer la ligne verticale du curseur C1 .
Remarque : Pendant que vous le faites, notez que le curseur C1 se
déplace le long de la trace de l’analyseur de signal et que les lignes
verticales et horizontales se déplacent de sorte qu’elles se croisent
toujours en C1 .
4. Répétez l’étape 3 pour le curseur C2 .
Remarque : Un contrôle précis de la position des curseurs est obtenu
en utilisant la commande Position du curseur dans la zone Paramètres
du curseur (sous l’écran).
5. Positionnez les curseurs de manière à ce qu’ils soient superposés et notez
la mesure.
Remarque : lorsque vous le faites, la mesure de la différence
d’amplitude et de fréquence doit être égale à zéro.
Utilement, lorsque l’un des curseurs est déplacé vers l’extrême gauche de
l’affichage, sa position sur l’axe X est nulle. Cela signifie que le curseur est
verrouillé sur 0 Hz. Cela signifie également que la lecture de la mesure donne
une valeur absolue de fréquence pour l’autre curseur.
6. Déplacez C1 à l’extrême gauche de l’écran.
7. Utilisez C2 pour identifier les ondes sinusoïdales de 2 kHz et 4 kHz dans
le signal BFSK.
Question 4:
Notez qu’il y a une région entre ces ondes sinusoïdales et de chaque côté d’elles
qui est raisonnablement plate à environ -20 dB (ou à environ un dixième de la
tension des ondes sinusoïdales). Qu’est-ce que cela signifie pour le signal BFSK ?
Question 5:
Notez également qu’il y a des « bosses » dans le spectre à des intervalles d’environ
2 kHz à partir d’environ 7 kHz. Qu’est-ce que cela vous dit sur le signal BFSK ?

Figure 9: check

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La première figure dans la discussion préliminaire est quelque peu trompeuse
en ce que la transition entre les fréquences d’espace et de marque se produit au
point de passage par zéro des deux ondes sinusoïdales. Cependant, ce n’est pas
le cas avec le signal BFSK que vous avez généré. Au lieu de cela, il existe des
transitions nettes (appelées discontinuités) entre les deux. Ces discontinuités
contribuent à rendre le spectre de la BFSK beaucoup plus complexe qu’on ne
pourrait le croire à première vue.
Examinez vous-même les discontinuités du signal BFSK en suivant les instructions
suivantes:
1. Activez maintenant l’onglet de l’oscilloscope
2. Réglez le balayage horizontal a 500 µs/div
3. Comparez votre signal BFSK avec le signal BFSK de la première figure
en accordant une attention particulière aux points de transition entre les
fréquences d’espace et de marque.
Question 6:
Pourquoi y a-t-il des changements brusques de tension sur la sortie du module
Dual Analog Switch lorsque les données numériques changent d’état ?
Astuce : Regardez attentivement le signal BFSK et réfléchissez à
ce qui doit être présent sur la sortie des oscillateurs aux points de
croisement.
Question 7:
La suppression du changement brusque de tension aux points de transition entre
les fréquences d’espace et de marque réduirait la gravité de ces discontinuités, ce
qui réduirait à son tour la complexité et la bande passante du signal BFSK.
Pouvez-vous penser à un moyen d’y parvenir?
Conseil : la fréquence de référence du signal BFSK satisfait déjà une
partie de cette solution.

Figure 10: check

Partie D - Démodulation d’un signal BFSK à l’aide d’un filtrage et

d’un détecteur d’enveloppe
Comme BFSK est vraiment juste FM (avec un message numérique au lieu de la
parole et/ou de la musique), il peut être récupéré en utilisant l’un des schémas
de démodulation FM. Cependant, étant donné que le signal BFSK bascule entre
deux fréquences seulement, nous pouvons utiliser une méthode de démodulation

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qui ne peut pas être utilisée pour démoduler les signaux FM codés par la parole.
La partie suivante de l’expérience vous permet de le faire.
1. Remettre le balayage horizontale de l’oscilloscope a 1 ms/div.
2. Localisez le module de filtre passe-bas sur l’Emona DxIQ-45G et tournez
sa commande de réglage de la fréquence de coupure à fond dans le sens
des aiguilles d’une montre.
3. Tournez à fond dans le sens des aiguilles d’une montre la commande de
gain du module de filtre passe-bas accordable.
4. Modifiez le schéma de connexion comme illustré à la figure ci-dessous.

Figure 11: Montage 03

Les ajouts à la configuration de la figure précédente qui démodulent le signal

BFSK peuvent être représentés par le schéma fonctionnel de la figure ci-dessous.
Le module de filtre passe-bas accordable est utilisé pour sélectionner la fréquence
inférieure des “deux” ondes sinusoïdales du signal BFSK et la DIODE et le RC
LPF sur le module Utilities forment le détecteur d’enveloppe pour compléter la
démodulation du signal BFSK.

Figure 12: Diagramme fonctionnel

5. Réduisez lentement la fréquence de coupure du module de filtre passe-bas

accordable jusqu’à ce que la composante de fréquence supérieure du signal

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 BFSK ait été supprimée (ou au moins minimisée) tout en conservant autant
que possible la composante de fréquence inférieure.
6. Comparez le signal de données numériques et la sortie du filtre.
Question 8:
Laquelle des deux ondes sinusoïdales du signal BFSK le filtre laisse-t-il passer ?
Question 9:
À quoi ressemble maintenant le signal BFSK filtré ?

Figure 13: check

7. Modifiez la connexion du canal 1 de l’oscilloscope comme illustré à la figure

ci-dessous.

Figure 14: Montage 04

La modification de la connexion du canal 1 de l’oscilloscope peut être représentée

par le schéma fonctionnel de la Figure ci-dessous:

Figure 15: Diagramme fonctionnel

8. Comparez le signal de données numériques d’origine avec le signal de

données numériques récupéré.

11
Question 10:
Les deux signaux ne sont pas très ressemblants. Pourquoi le signal de données
récupéré est-il si déformé ?

Figure 16: check

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