Après avoir appris à parler grâce à l’AM, puis à économiser puissance et bande passante avec la BLU, la radio avait encore un problème à résoudre.
Le bruit !
Orages, moteurs électriques, étincelles, systèmes d’allumage des automobiles… tous produisaient des parasites qui venaient joyeusement se mélanger aux émissions.
Puis un ingénieur américain eut une autre idée : et si, au lieu de faire varier l’amplitude de notre onde, nous faisions varier sa fréquence ?
La modulation de fréquence allait profondément transformer la radiodiffusion, mais aussi les communications VHF et UHF des radioamateurs.
Le problème : ces maudits parasites !
Reprenons notre bonne vieille modulation d’amplitude.
En AM, l’information audio fait varier l’amplitude de la porteuse.
Malheureusement, beaucoup de parasites radioélectriques provoquent eux aussi des variations d’amplitude.
Pour notre récepteur, la situation devient délicate.
La voix fait varier l’amplitude : il la détecte.
Une étincelle fait varier brutalement l’amplitude : il la détecte également !
D’où les fameux : CRAC ! POC ! CRRRR !
que connaissent bien ceux qui écoutent les ondes moyennes ou les ondes courtes.
Il fallait trouver autre chose.
Et si l’on faisait varier la fréquence ?
Imaginons maintenant que l’amplitude de notre signal reste pratiquement constante.
Cette fois, c’est sa fréquence instantanée qui se déplace légèrement autour d’une fréquence centrale au rythme de notre voix.
Lorsque le signal audio varie dans un sens, la fréquence monte.
Lorsqu’il varie dans l’autre, elle descend.
Nous venons de décrire le principe de la : FM — Frequency Modulation — modulation de fréquence.
Puisque l’information n’est plus contenue dans l’amplitude, le récepteur peut limiter les variations d’amplitude indésirables avant de démoduler le signal.
Voilà une excellente arme contre de nombreux parasites.
1922 : Carson étudie la FM
Nous retrouvons ici un personnage déjà rencontré dans notre histoire de la BLU : John Renshaw Carson, ingénieur chez AT&T.
Au début des années 1920, Carson étudie mathématiquement plusieurs systèmes de modulation, dont la modulation de fréquence.
Mais la FM n’apparaît pas encore comme la solution miracle au problème du bruit.
Il manque une idée essentielle : utiliser une excursion suffisamment importante et accepter une largeur de bande supérieure afin d’obtenir un véritable avantage sur le bruit.
Cette étape sera franchie par un autre personnage.
Années 1920 : Armstrong veut faire taire le bruit
Edwin Howard Armstrong n’est pas un inconnu dans l’histoire de la radio.
Il a déjà travaillé sur plusieurs inventions fondamentales, notamment la réaction positive, la super-réaction et le récepteur superhétérodyne.
Mais Armstrong est confronté, comme tous les ingénieurs radio de son époque, à un ennemi particulièrement agaçant : les parasites.
Il expérimente différentes solutions et finit par comprendre qu’une modulation de fréquence correctement conçue peut offrir des performances remarquables.
1933 : Armstrong et la FM large bande
En 1933, Armstrong dépose plusieurs brevets concernant son système de modulation de fréquence.
Son idée importante n’est pas simplement de faire varier la fréquence : le principe était déjà connu.
Armstrong développe surtout un système complet de FM large bande, conçu pour obtenir une réception de haute qualité avec une forte amélioration du rapport signal/bruit.
Et cela change tout.
Il accepte pour cela quelque chose que les ingénieurs cherchent généralement à éviter : utiliser davantage de bande passante.
C’est presque l’inverse de notre précédent article consacré à la BLU !
Avec la BLU : moins de spectre pour transmettre efficacement la parole.
Avec la FM large bande : davantage de spectre pour améliorer fortement la qualité de réception.
Deux philosophies différentes, deux solutions parfaitement adaptées à des usages différents.
1935 : Armstrong fait taire les parasites
En 1935, Armstrong présente publiquement son système devant l’Institute of Radio Engineers.
Les démonstrations impressionnent.
Lorsque les conditions sont suffisantes, la FM permet une reproduction sonore particulièrement propre par rapport aux transmissions AM affectées par le bruit.
Armstrong est convaincu que son système représente l’avenir de la radiodiffusion.
Il va investir personnellement une partie considérable de sa fortune pour le démontrer.
En FM, les variations d’amplitude dues aux parasites peuvent être fortement réduites avant la démodulation.
1939 : la FM émet depuis Alpine
Armstrong fait construire une imposante station expérimentale à Alpine, dans le New Jersey.
Sa grande tour devient l’un des symboles des débuts de la FM.
En 1939, sa station W2XMN commence ses émissions régulières.
La qualité sonore obtenue montre que la radio peut offrir bien davantage que la bande audio relativement limitée et la sensibilité aux parasites de la radiodiffusion AM.
La FM est techniquement prête.
Reste à convaincre l’industrie et les autorités.
1940 : une bande pour la FM
En 1940, la FCC américaine établit les règles du nouveau service commercial FM.
Une bande située autour de 42 à 50 MHz est utilisée pour cette nouvelle radiodiffusion.
Des stations commencent à apparaître et des constructeurs commercialisent des récepteurs.
Armstrong semble avoir gagné son pari.
Mais quelques années plus tard, tout va changer.
1945 : la FM doit déménager
Après la Seconde Guerre mondiale, les autorités américaines réorganisent l’utilisation du spectre.
La radiodiffusion FM quitte finalement sa première bande autour de 42–50 MHz pour s’installer beaucoup plus haut, dans la région des 88–108 MHz que nous connaissons aujourd’hui.
Techniquement, ce changement est considérable.
Les premiers postes FM deviennent incompatibles avec les nouvelles fréquences sans adaptation ou convertisseur.
Les premières stations doivent également modifier leurs installations.
Armstrong s’oppose vivement à ce déplacement, qui contribue à ralentir le développement de la FM.
1954 : Armstrong disparaît
Les dernières années de la vie d’Armstrong sont marquées par de longues et coûteuses batailles industrielles et judiciaires autour de ses inventions et de ses brevets.
Le 31 janvier 1954, Edwin Howard Armstrong meurt à New York.
Il ne verra donc pas pleinement le succès mondial que connaîtra la modulation de fréquence.
Quelques décennies plus tard pourtant, des centaines de millions de postes utiliseront quotidiennement le principe qu’il avait défendu.
Comment la voix fait-elle bouger la fréquence ?
Revenons à notre microphone.
Supposons que notre émetteur possède une fréquence centrale : 145,500 MHz
Sans modulation, l’émetteur reste sur cette fréquence.
Lorsque nous parlons, le signal audio fait varier instantanément la fréquence autour de cette valeur.
On appelle : Δf — l’excursion de fréquence.
Avec une excursion de ±5 kHz, notre fréquence instantanée pourra par exemple évoluer entre : 145,495 MHz et 145,505 MHz.
Attention cependant : cela ne signifie pas que notre émission occupe seulement 10 kHz !
La FM génère plusieurs composantes latérales.
Sa largeur de bande réelle est donc plus importante.
La règle de Carson
Nous retrouvons encore Carson !
Une approximation très pratique permet d’estimer la largeur de bande occupée par une émission FM : B ≈ 2 × (Δf + fm)
où :
Δf représente l’excursion maximale de fréquence, et fm la fréquence audio maximale transmise.
Prenons : Δf = 5 kHz
et : fm = 3 kHz
Nous obtenons : B ≈ 2 × (5 + 3)
soit environ : 16 kHz.
Voilà pourquoi la FM occupe généralement davantage de spectre qu’une émission BLU destinée à transmettre une bande audio comparable.
En FM, la voix fait varier la fréquence instantanée autour de la fréquence centrale.
FM large et FM étroite
Toutes les FM ne sont pas identiques.
Pour la radiodiffusion sur la bande 87,5–108 MHz utilisée en Europe, on emploie une FM à large excursion permettant notamment une excellente qualité audio.
On parle généralement de : WFM — Wide FM.
Pour les communications radio professionnelles et radioamateurs, nous n’avons pas besoin de transmettre de la musique en haute fidélité.
On utilise donc une excursion et une bande audio plus réduites : NFM — Narrow FM.
C’est cette FM relativement étroite que nous rencontrons sur nos transceivers VHF/UHF.
1961 : la FM devient stéréo
Une autre évolution va considérablement renforcer l’intérêt de la FM pour la musique : la stéréophonie.
En 1961, les États-Unis adoptent un système de radiodiffusion FM stéréo compatible avec les anciens récepteurs mono.
L’astuce est remarquable.
Le signal principal transporte : Gauche + Droite (L+R)
ce qui permet à un poste mono de continuer à fonctionner normalement.
Un signal supplémentaire transporte : Gauche − Droite (L−R) et un petit signal pilote à 19 kHz permet au récepteur stéréo de reconstruire correctement les deux canaux.
La FM devient alors un support idéal pour la musique haute fidélité.
Années 1960-1980 : la FM envahit les postes
Durant les décennies suivantes, la FM progresse rapidement.
Les chaînes Hi-Fi disposent désormais d’un tuner FM stéréo.
Les autoradios adoptent la FM.
Les postes portatifs deviennent AM/FM.
La meilleure qualité audio et la résistance aux parasites séduisent particulièrement les stations musicales.
En Europe, la bande 87,5–108 MHz devient progressivement un immense espace de radiodiffusion.
La FM entre définitivement dans la vie quotidienne.
Et chez les radioamateurs ?
L’histoire est légèrement différente.
Pendant longtemps, sur les bandes VHF et UHF amateurs, l’AM reste très utilisée.
L’ARRL rappelle que, des années 1940 jusqu’à la fin des années 1960, la majorité des amateurs américains opérant en VHF/UHF utilisent encore l’AM.
Puis un phénomène va tout changer : le développement des radiocommunications mobiles professionnelles en FM.
Durant les années 1950 et 1960, les fabricants produisent de grandes quantités de matériels FM destinés aux services professionnels.
Lorsque les réseaux commerciaux évoluent vers des espacements de canaux plus serrés, une partie de ces équipements devient obsolète pour les professionnels…
mais particulièrement intéressante pour les radioamateurs !
Beaucoup fonctionnent justement à proximité des bandes 50 MHz, 144 MHz et 430 MHz.
Les amateurs récupèrent, modifient et réaccordent ces appareils.
Années 1960 : les relais FM arrivent
Les relais radioamateurs existaient avant la FM.
Dans les années 1930, des relais expérimentaux fonctionnaient déjà sur 5 mètres et, dans les années 1950, plusieurs relais AM apparaissent.
Un relais amateur AM documenté, développé par Arthur Gentry, W6MEP, fonctionne ainsi dès 1956 en Californie.
Mais c’est l’association FM + relais qui va véritablement transformer les communications VHF/UHF.
Durant les années 1960, les premiers réseaux de relais FM amateurs commencent à se développer. L’ARRL situe bien dans cette décennie le démarrage du mouvement sur 2 mètres.
Années 1970 : l’explosion des relais
Les années 1970 deviennent véritablement la décennie du relais FM amateur.
Le nombre de relais augmente rapidement, au point que leur coordination et leur règlementation deviennent des sujets importants.
Un amateur équipé d’un petit mobile VHF de quelques watts peut désormais contacter un relais installé sur un point haut et communiquer avec des correspondants situés à plusieurs dizaines, voire parfois beaucoup plus de kilomètres.
Puis arrivent les portatifs.
La radio amateur n’est plus obligatoirement une activité pratiquée devant une imposante station installée dans le shack.
Elle peut nous accompagner dans la voiture ou dans la poche.
Pourquoi la FM semble-t-elle si silencieuse ?
Un récepteur FM possède quelques comportements caractéristiques.
D’abord, l’effet de seuil.
Tant que le signal est suffisamment fort, la réception peut rester très propre. Lorsqu’il devient trop faible, la qualité se dégrade rapidement.
Il existe également l’effet de capture.
Lorsque deux signaux FM suffisamment différents en niveau arrivent simultanément sur la même fréquence, le récepteur tend à privilégier le plus puissant.
Enfin, nos postes utilisent le fameux : SQUELCH.
Lorsque personne n’émet, le récepteur coupe le bruit du haut-parleur.
Silence…
Puis le relais reçoit notre correspondant : CLAC !
Le squelch s’ouvre et la voix apparaît presque instantanément.
Cette façon d’utiliser la radio nous est aujourd’hui tellement familière qu’on oublie à quel point elle diffère de l’écoute permanente du souffle et des parasites d’un ancien récepteur AM.
La FM aujourd’hui
Près d’un siècle après les expériences d’Armstrong, la modulation de fréquence est toujours partout.
Elle reste utilisée pour la radiodiffusion analogique dans de nombreux pays.
Chez les radioamateurs, elle est incontournable en VHF et UHF : communications locales, relais, mobiles, portatifs, satellites FM et de nombreux équipements spécialisés.
Nos transceivers modernes génèrent et démodulent parfois la FM entièrement par traitement numérique.
Mais le principe fondamental reste celui qu’Armstrong avait brillamment exploité : faire transporter l’information par les variations de fréquence plutôt que par les variations d’amplitude.
Quelques dates à retenir
1922 — Carson publie des travaux théoriques sur différents systèmes de modulation, dont la FM.
1933 — Armstrong dépose ses grands brevets sur son système de FM large bande.
1935 — Démonstration publique du système FM d’Armstrong.
1939 — W2XMN émet régulièrement en FM depuis Alpine.
1940 — La radiodiffusion FM commerciale américaine reçoit son cadre règlementaire.
1945 — Réorganisation des fréquences américaines ; la FM abandonne progressivement son ancienne bande pour la région des 88–108 MHz.
1954 — Mort d’Edwin Howard Armstrong.
1961 — Adoption de la radiodiffusion FM stéréophonique aux États-Unis.
Années 1960 — Développement des relais FM radioamateurs.
Années 1970 — Explosion des relais VHF/UHF et des équipements FM amateurs.
Aujourd’hui — La FM reste l’un des principaux modes utilisés pour les communications locales radioamateurs VHF/UHF.
Quand la FM fut venue…
L’AM avait permis à la radio de parler.
La BLU lui avait appris à économiser son énergie et son spectre.
La FM lui apporta autre chose : le confort du silence entre les communications et une remarquable résistance à de nombreux parasites.
Pour y parvenir, Armstrong accepta un compromis étonnant.
Alors que tant d’ingénieurs cherchaient à réduire la largeur des émissions, lui choisit d’occuper davantage de spectre pour obtenir une meilleure réception.
L’histoire lui donna largement raison.
Aujourd’hui encore, lorsque nous prenons un petit portatif, appuyons sur le PTT et ouvrons un relais situé à plusieurs dizaines de kilomètres, nous utilisons l’héritage de cette révolution.
Après les points et les traits, après l’AM et la BLU, la radio avait trouvé une nouvelle façon de faire voyager nos voix.
Et cette fois, elle avait appris à faire taire une bonne partie du bruit.
