Comment les informations numériques sont-elles transportées par les ondes radio ?
Introduction
Lorsque nous utilisons le FT8, le PSK31, le RTTY ou encore la télévision numérique amateur (DATV), nous transmettons des informations numériques par les ondes radio.
Mais comment une succession de bits, constituée uniquement de 0 et de 1, peut-elle être transportée par un signal radioélectrique ?
La réponse repose sur un principe fondamental : la modulation numérique.
Contrairement à une transmission analogique, où le signal varie continuellement en fonction de l’information à transmettre, une modulation numérique utilise un ensemble défini d’états pour représenter des bits.
Ces états peuvent correspondre à différentes fréquences, phases ou amplitudes d’une onde porteuse.
Trois grandes familles de modulation sont particulièrement importantes :
- FSK (Frequency Shift Keying) : modulation par déplacement de fréquence.
- PSK (Phase Shift Keying) : modulation par déplacement de phase.
- QAM (Quadrature Amplitude Modulation) : modulation combinant amplitude et phase.
Dans cet article, nous allons découvrir leur fonctionnement, leurs avantages, leurs limites et leurs applications dans les communications radioamateurs.
Nous verrons également comment les expérimenter grâce à un simulateur interactif.
1. Comment transmettre des informations numériques par radio ?
Une onde radio sinusoïdale possède trois caractéristiques fondamentales :
- Sa fréquence, qui représente le nombre d’oscillations par seconde.
- Son amplitude, qui correspond à l’intensité du signal.
- Sa phase, qui représente la position de l’onde dans son cycle.
Pour transmettre des informations, il suffit de modifier une ou plusieurs de ces caractéristiques selon des règles connues de l’émetteur et du récepteur.
Prenons une séquence binaire :
1 0 1 1 0 0 1 0
L’émetteur doit transformer cette succession de bits en un signal électrique pouvant être transmis par radio.
Le récepteur devra effectuer l’opération inverse afin de retrouver les informations d’origine.
Selon la modulation utilisée, les bits seront représentés par des fréquences, des phases ou des combinaisons d’amplitude et de phase.
La notion de symbole
En modulation numérique, un symbole représente un état particulier du signal.
Un symbole peut transporter un ou plusieurs bits.
Par exemple :
| Modulation | Nombre d’états | Bits par symbole |
|---|---|---|
| BPSK | 2 | 1 |
| QPSK | 4 | 2 |
| 8-PSK | 8 | 3 |
| 16-QAM | 16 | 4 |
| 64-QAM | 64 | 6 |
Plus le nombre d’états disponibles augmente, plus chaque symbole peut transporter d’informations.
Cependant, distinguer ces états devient généralement plus difficile lorsque le signal est perturbé par le bruit.
📷 ILLUSTRATION 1 — Les trois principes de modulation numérique
Les trois grandes familles de modulation numérique. La FSK utilise différentes fréquences, la PSK différentes phases et la QAM combine plusieurs amplitudes et phases pour représenter les informations binaires.
2. La modulation FSK : transmettre des bits par changement de fréquence
La modulation FSK (Frequency Shift Keying) est l’une des méthodes les plus simples pour transmettre des informations numériques.
Son principe consiste à utiliser différentes fréquences pour représenter les états binaires.
Comment fonctionne la FSK ?
Dans sa forme la plus simple, appelée 2-FSK ou BFSK, deux fréquences sont utilisées :
- Une fréquence F0 représente le bit 0.
- Une fréquence F1 représente le bit 1.
Imaginons que nous utilisions deux tonalités :
- F0 = 1 000 Hz
- F1 = 1 200 Hz
Pour transmettre la séquence : 1 0 1 1 0
L’émetteur produira successivement les tonalités : 1 200 – 1 000 – 1 200 – 1 200 – 1 000 Hz
Ces tonalités peuvent ensuite moduler un émetteur radio.
Dans une transmission AFSK, les tonalités audio sont appliquées à un émetteur, généralement en BLU. Dans une transmission FSK directe, c’est la fréquence du signal radio qui est modifiée.
Les variantes de la FSK
La FSK ne se limite pas à deux fréquences.
Il existe notamment :
- La 2-FSK : deux fréquences, soit un bit par symbole.
- La 4-FSK : quatre fréquences, soit deux bits par symbole.
- La 8-FSK : huit fréquences, soit trois bits par symbole.
Certaines variantes utilisent un filtrage pour limiter la largeur de bande occupée.
C’est notamment le cas de la GFSK (Gaussian Frequency Shift Keying), qui emploie un filtrage gaussien.
Avantages et inconvénients
La FSK présente plusieurs avantages.
Elle est relativement simple à produire et à décoder. Les modulations FSK à enveloppe constante peuvent également être utilisées avec des amplificateurs radiofréquence fonctionnant avec un bon rendement énergétique.
En revanche, selon les paramètres choisis, la FSK peut nécessiter davantage de bande passante que certaines modulations de phase.
Applications radioamateurs
La FSK est utilisée dans plusieurs modes numériques :
- Le RTTY, qui utilise traditionnellement deux fréquences.
- Le FT8, qui emploie une modulation 8-GFSK.
- Le FT4, qui utilise une modulation 4-GFSK.
- Le DMR, qui repose sur une modulation 4FSK.
Ces systèmes utilisent également des protocoles et des techniques de traitement du signal adaptés à leurs objectifs.
📷 ILLUSTRATION 2 — Fonctionnement de la modulation FSK
Exemple de modulation 2-FSK. Chaque bit est représenté par l’une des deux fréquences disponibles. Le passage d’un bit à l’autre entraîne un changement de fréquence du signal transmis.
3. La modulation PSK : transmettre des bits par changement de phase
La modulation PSK (Phase Shift Keying) utilise une autre propriété de l’onde radio : sa phase.
La fréquence porteuse reste nominalement identique, mais la phase du signal prend différentes valeurs pour représenter les informations numériques.
La BPSK : deux états de phase
La forme la plus simple est la BPSK (Binary Phase Shift Keying).
Elle utilise deux phases séparées de 180°.
Par exemple :
- Bit 0 : phase de 0°.
- Bit 1 : phase de 180°.
Lorsqu’un changement de phase est nécessaire, le signal est modifié pour représenter le nouvel état.
Chaque symbole transporte un bit.
La QPSK : quatre états de phase
La QPSK (Quadrature Phase Shift Keying) utilise quatre phases différentes.
Par exemple :
45°, 135°, 225° et 315°.
Chaque phase peut représenter une combinaison de deux bits :
| Bits | Phase |
|---|---|
| 00 | 45° |
| 01 | 135° |
| 11 | 225° |
| 10 | 315° |
Cette correspondance constitue un exemple de codage Gray, dans lequel deux états voisins ne diffèrent que d’un bit.
Avec quatre états, chaque symbole transporte deux bits.
À rapidité de modulation identique, la QPSK permet donc de transmettre deux fois plus de bits que la BPSK.
La 8-PSK
La 8-PSK utilise huit phases différentes, espacées de 45°.
Chaque symbole transporte trois bits.
Cette modulation offre un débit binaire plus élevé à rapidité de modulation identique, mais les états de phase sont plus rapprochés.
Le récepteur doit donc disposer d’un signal suffisamment propre pour les distinguer correctement.
Applications radioamateurs
La modulation PSK est notamment présente dans :
- Le PSK31, utilisant principalement la BPSK et proposant également une variante QPSK.
- Certaines transmissions numériques expérimentales.
- La télévision numérique amateur DVB-S, utilisant la QPSK.
- Le DVB-S2, qui peut notamment utiliser la QPSK ou la 8-PSK.
📷 ILLUSTRATION 3 — Les modulations BPSK et QPSK
Représentation des états de phase utilisés en BPSK et en QPSK. La BPSK utilise deux positions opposées, tandis que la QPSK répartit quatre états sur un cercle, permettant de transmettre deux bits par symbole.
4. La modulation QAM : combiner amplitude et phase
La modulation QAM (Quadrature Amplitude Modulation) va plus loin.
Au lieu d’utiliser uniquement la fréquence ou la phase, elle combine deux composantes du signal, appelées I et Q.
Ces composantes permettent de définir simultanément l’amplitude et la phase de chaque symbole.
Comprendre les composantes I et Q
Une onde modulée en QAM peut être représentée par deux signaux :
- I : composante en phase.
- Q : composante en quadrature, décalée de 90°.
En combinant ces deux composantes, il devient possible de produire différents états du signal.
Chaque état correspond à un point dans un diagramme appelé constellation.
La modulation 16-QAM
La 16-QAM utilise seize états différents.
Chaque symbole peut donc représenter quatre bits :
![\[\log_2(16)=4\]](https://www.f5kee.fr/wp-content/ql-cache/quicklatex.com-39c2ec25057db7c960f99849bc8589f5_l3.png "Rendered by QuickLaTeX.com")
]
Par exemple, un symbole pourra représenter la combinaison binaire 1010.
Avec seize états, il devient possible de transmettre quatre bits pendant la durée d’un seul symbole.
La modulation 64-QAM
La 64-QAM utilise 64 états.
Chaque symbole transporte six bits :
![\[\log_2(64)=6\]](https://www.f5kee.fr/wp-content/ql-cache/quicklatex.com-cf47b87cd7113a9419acc399e0f34242_l3.png "Rendered by QuickLaTeX.com")
Elle permet donc d’augmenter le débit binaire à rapidité de modulation identique.
Mais cette efficacité présente une contrepartie.
Les points de constellation étant plus nombreux et plus rapprochés, le récepteur doit distinguer des différences relativement faibles entre les états du signal.
La 64-QAM nécessite donc généralement un meilleur rapport signal/bruit que la 16-QAM, à taux d’erreur comparable.
Applications
La QAM est largement utilisée dans les systèmes modernes de télécommunication :
- Les réseaux Wi-Fi.
- Les réseaux mobiles.
- Certaines transmissions de télévision numérique.
- Les systèmes utilisant la modulation OFDM.
- Certaines expérimentations radioamateurs à haut débit.
En DATV, certaines configurations DVB-S2 peuvent également employer des modulations de la famille APSK. Il ne faut toutefois pas confondre APSK et QAM : leurs constellations sont organisées différemment.
📷 ILLUSTRATION 4 — Les constellations QPSK, 16-QAM et 64-QAM
Comparaison de trois constellations numériques. La QPSK comporte quatre états, la 16-QAM seize états et la 64-QAM soixante-quatre états. Plus les points sont nombreux, plus le nombre de bits transmis par symbole augmente, mais plus la réception devient exigeante.
5. Comprendre le débit binaire et la rapidité de modulation
Deux notions sont souvent confondues : le débit binaire et la rapidité de modulation.
Le débit binaire correspond au nombre de bits transmis chaque seconde.
Il s’exprime en bits par seconde (bit/s).
La rapidité de modulation correspond au nombre de symboles transmis chaque seconde.
Elle s’exprime en bauds.
Ces deux valeurs ne sont pas nécessairement identiques.
Exemple pratique
Imaginons un système transmettant 1 000 symboles par seconde.
| Modulation | Bits par symbole | Débit brut |
|---|---|---|
| BPSK | 1 | 1 000 bit/s |
| QPSK | 2 | 2 000 bit/s |
| 8-PSK | 3 | 3 000 bit/s |
| 16-QAM | 4 | 4 000 bit/s |
| 64-QAM | 6 | 6 000 bit/s |
La relation générale est :
![\[R_b=R_s\times\log_2(M)\]](https://www.f5kee.fr/wp-content/ql-cache/quicklatex.com-682d07bbe423e6c442aaf54cfa9ec725_l3.png "Rendered by QuickLaTeX.com")
Avec :
- (R_b) : débit binaire brut.
- (R_s) : rapidité de modulation.
- (M) : nombre d’états de modulation.
Cette formule s’applique aux modulations à (M) états transportant un nombre fixe de bits par symbole.
Attention : ces débits sont théoriques.
Dans une transmission réelle, une partie des informations peut être utilisée pour la synchronisation, le codage correcteur d’erreurs ou la gestion du protocole.
Le débit réellement disponible pour les données utiles est donc généralement inférieur.
6. Comprendre les diagrammes de constellation
Un diagramme de constellation est une représentation graphique des différents états d’une modulation numérique.
Il utilise deux axes :
- L’axe horizontal représente la composante I.
- L’axe vertical représente la composante Q.
Chaque point correspond à un symbole possible.
Une constellation idéale
Dans des conditions parfaites, les symboles reçus correspondent exactement aux positions prévues.
Les points apparaissent alors clairement séparés.
Une constellation perturbée
Dans une transmission réelle, plusieurs phénomènes peuvent modifier le signal :
- Le bruit.
- Les interférences.
- Les erreurs de fréquence.
- Les erreurs de phase.
- Les distorsions introduites par les amplificateurs.
- Les imperfections du récepteur.
Les points reçus ne correspondent alors plus exactement à leur position idéale.
Ils forment des nuages autour des points théoriques.
Lorsque ces nuages deviennent trop importants, le récepteur risque de confondre certains symboles.
Cela provoque des erreurs de décodage.
Le diagramme de constellation constitue donc un excellent outil pour observer la qualité d’une transmission numérique.
7. Pourquoi le rapport signal/bruit est-il si important ?
Le rapport signal/bruit, généralement appelé SNR (Signal-to-Noise Ratio), mesure la puissance du signal utile par rapport à celle du bruit.
Il s’exprime en décibels.
Plus le rapport signal/bruit est élevé, plus le signal est généralement facile à décoder.
Mais toutes les modulations ne réagissent pas de la même manière au bruit.
Une BPSK utilise seulement deux états bien séparés.
Une 64-QAM doit distinguer 64 états différents.
À conditions comparables, la 64-QAM nécessite généralement un rapport signal/bruit plus élevé pour obtenir le même taux d’erreur.
Le taux d’erreur binaire
Le BER (Bit Error Rate) représente la proportion de bits reçus incorrectement.
Par exemple, si 100 bits sont erronés sur un million de bits transmis :
![\[BER=\frac{100}{1,000,000}=10^{-4}\]](https://www.f5kee.fr/wp-content/ql-cache/quicklatex.com-13b7dc59a5b05127711408607e121d0e_l3.png "Rendered by QuickLaTeX.com")
Cela correspond à un bit erroné sur 10 000.
Le BER permet de mesurer objectivement la qualité d’une transmission numérique.
Le compromis fondamental
Le choix d’une modulation repose souvent sur un compromis entre : Débit — Robustesse — Largeur de bande — Complexité
Une modulation transportant davantage de bits par symbole peut offrir une meilleure efficacité spectrale.
Mais elle nécessite généralement un signal de meilleure qualité et parfois un matériel plus exigeant.
Il n’existe donc pas de modulation universellement meilleure que toutes les autres.
Tout dépend de l’application recherchée.
8. Les modulations numériques dans les activités radioamateurs
Les radioamateurs utilisent quotidiennement plusieurs de ces techniques, parfois sans en connaître précisément le fonctionnement.
Le RTTY
Le RTTY constitue un excellent exemple historique de modulation numérique.
Les caractères sont transformés en une succession de bits transmis à l’aide de deux fréquences distinctes.
Le PSK31
Le PSK31 a été conçu pour permettre des communications textuelles avec une faible largeur de bande.
Il utilise principalement la modulation BPSK.
Son faible débit est particulièrement adapté à l’échange de messages au clavier.
Le FT8
Le FT8 utilise une modulation 8-GFSK associée à des techniques de synchronisation et de correction d’erreurs.
Il a été conçu pour permettre des communications avec des signaux particulièrement faibles.
Ses performances ne proviennent pas uniquement de la modulation, mais de l’ensemble du protocole.
La DATV sur QO-100
La télévision numérique amateur nécessite des débits beaucoup plus élevés.
Les transmissions DVB-S2 peuvent notamment utiliser la QPSK ou la 8-PSK.
Ces modulations permettent de transporter des flux vidéo et audio numériques.
Le choix des paramètres dépend notamment du débit souhaité, de la largeur de bande disponible et de la qualité de la liaison.
9. Expérimenter les modulations avec notre simulateur interactif
La théorie devient beaucoup plus facile à comprendre lorsqu’il est possible de visualiser les signaux.
C’est pourquoi nous vous proposons un simulateur interactif permettant de comparer plusieurs modulations numériques.
🖥️ SIMULATEUR INTERACTIF
Simulateur pédagogique des modulations numériques FSK, PSK et QAM.
Comment utiliser le simulateur ?
Le simulateur permettra de sélectionner différentes modulations :
- 2-FSK.
- BPSK.
- QPSK.
- 8-PSK.
- 16-QAM.
- 64-QAM.
Il sera possible de générer une séquence binaire et d’observer sa transformation en signal modulé.
Pour les modulations PSK et QAM, le diagramme de constellation permettra de visualiser les différents symboles.
Un réglage du rapport signal/bruit permettra également de simuler les perturbations rencontrées pendant une transmission.
Expérience 1 : comparer BPSK et QPSK
Sélectionnez d’abord la BPSK.
Observez les deux états disponibles.
Passez ensuite en QPSK.
Le nombre d’états passe de deux à quatre.
Chaque symbole peut maintenant transporter deux bits au lieu d’un.
Expérience 2 : découvrir la 16-QAM
Sélectionnez la modulation 16-QAM.
Observez les seize points de constellation.
Chaque point représente une combinaison particulière de quatre bits.
Expérience 3 : ajouter du bruit
Sélectionnez une modulation QAM.
Réduisez progressivement le rapport signal/bruit.
Vous observerez une dispersion croissante des symboles reçus.
Lorsque les perturbations deviennent trop importantes, certains symboles risquent d’être confondus.
Expérience 4 : comparer QPSK et 64-QAM
Conservez un même rapport signal/bruit et comparez les deux modulations.
Vous constaterez que les points de la 64-QAM sont beaucoup plus rapprochés.
Cette expérience permet de comprendre pourquoi les modulations à forte efficacité spectrale sont généralement plus exigeantes en qualité de réception.
10. Quelle modulation choisir ?
Le choix d’une modulation dépend des objectifs de communication.
| Objectif | Modulations possibles | Intérêt principal |
|---|---|---|
| Transmission numérique simple | 2-FSK | Simplicité |
| Communication textuelle à faible débit | BPSK | Bonne robustesse |
| Transmission numérique polyvalente | QPSK | Compromis débit/robustesse |
| Transmission à débit plus élevé | 8-PSK | Davantage de bits par symbole |
| Transmission à forte efficacité spectrale | 16-QAM | Débit plus important |
| Transmission à très forte efficacité spectrale | 64-QAM | Nombre élevé de bits par symbole |
Ce tableau présente des tendances générales.
En pratique, le choix dépend aussi du filtrage, de la puissance disponible, du canal radio, de la correction d’erreurs et des performances du récepteur.
Conclusion : comprendre les modulations pour mieux comprendre la radio numérique
La modulation numérique constitue l’un des fondements des communications radio modernes.
Qu’il s’agisse de transmettre quelques caractères en RTTY, d’établir une liaison FT8 avec un signal très faible ou de recevoir une émission DATV sur QO-100, le principe reste identique : transformer des informations numériques en variations contrôlées d’un signal radio.
Nous avons découvert trois grandes familles de modulation :
La FSK, qui utilise différentes fréquences pour représenter les informations.
La PSK, qui utilise différents états de phase.
La QAM, qui combine amplitude et phase pour transporter davantage de bits par symbole.
Nous avons également vu que l’augmentation du débit s’accompagne généralement d’exigences plus importantes concernant la qualité du signal.
Le rapport signal/bruit, les erreurs de transmission et les diagrammes de constellation permettent de mieux comprendre ces phénomènes.
Grâce au simulateur interactif proposé dans cet article, chacun pourra expérimenter ces principes et observer directement leurs conséquences.
La modulation numérique n’est donc pas seulement une notion théorique : elle est au cœur de nombreuses activités radioamateurs, de la HF aux hyperfréquences, en passant par les satellites et les communications numériques expérimentales.
Comprendre ces techniques, c’est mieux comprendre les possibilités et les limites des transmissions radio numériques.
