Radio FM

La radio FM, inventée en 1933 par Edwin Armstrong, est un procédé de radiodiffusion de programmes radiophoniques en modulation de fréquence (ou FM pour Frequency modulation) dans la gamme des très hautes fréquences (VHF). Elle est destinée à être reçue directement par le public et s'applique à la fois à la réception individuelle et à la réception communautaire^[1]. Dans la plupart des pays, c'est plus précisément la bande 87,5 – 108 MHz (VHF – bande II) qui est utilisée. Du fait de son utilisation par la radio FM, cette bande est souvent appelée « bande FM » dans le grand public.

Terminologie

L'appellation « bande FM », bien que très répandue, est incorrecte d'un point de vue scientifique et en fait un abus de langage, car la radiodiffusion en modulation de fréquence peut être réalisée dans n’importe quelle bande de fréquences. On pourrait correctement parler de la « bande de fréquences allouée aux stations de radio diffusant leurs programmes à destination du public en FM », mais ce serait trop lourd dans un contexte usuel.

Les pays germaniques utilisent régulièrement le terme « UKW » pour Ultrakurzwellen, c'est-à-dire « ondes ultra-courtes », ce qui est un équivalent du terme « très haute fréquence ». De même, les Suédois parlent de « UKV » pour ultrakortvåg. Ces dénominations sont scientifiquement correctes.

Si l'appellation " bande FM " est incorrecte et celle de " UKW " correcte, on peut alors dire " OUC " ondes ultra-courtes en français.

Bandes de diffusion

La grande majorité des pays utilisent la bande 87,5 – 108 MHz pour la radio FM. À l'origine, cette bande était souvent plus réduite ; elle a été étendue progressivement. Ainsi, en France, elle s'étendait au départ sur 12,5 MHz, de 87,5 à 100 MHz. Elle est passée ensuite à 87,5 – 104 MHz, puis à 87,5 - 106 MHz et enfin de nos jours, de 87,5 à 108 MHz, soit une largeur de 20,5 MHz. Les fréquences 87,5 MHz et 108 MHz ne sont pas attribuées par le Conseil supérieur de l’audiovisuel (CSA)^[2], car aucun code RDS ne leur sont alloués. Ainsi en France les fréquences FM sont comprises entre 87,6 MHz à 107,9 MHz. Les canaux utilisés sont en général des multiples de 100 kHz, bien que certains pays utilisent d'autres organisations (par exemple, en Italie les canaux peuvent être des multiples de 50 kHz). De plus, certains pays n'utilisent que les multiples pairs ou impairs de 100 kHz. Cette dernière organisation prévaut au Canada et aux États-Unis, les stations étant des multiples impairs de 100 kHz.

Certains pays utilisent d'autres fréquences VHF en remplacement ou en complément de la bande 87,5 – 108 MHz :

• en Europe de l'Est et dans des pays de l’ancienne URSS, ainsi qu’en Mongolie la bande 65 – 74 MHz est également utilisée, avec des stations tous les 30 kHz. Cette bande, parfois appelée bande OIRT, est en cours d'abandon dans de nombreux pays^{[Lesquels ?]}. Dans ces pays^{[Lesquels ?]}, la bande 87,5 – 108 MHz est appelée bande CCIR ;
• le Japon utilise la bande 76 – 95 MHz (90 MHz avant 2013).

Aux États-Unis, la Commission fédérale des communications (FCC)) étudie actuellement^[Quand ?] la possibilité d'ouvrir à la radiodiffusion le segment 76 MHz – 88 MHz^[3].

Autres protocoles utilisant les mêmes fréquences

La première version du protocole G.fast va spécifier des bandes de fréquence pouvant aller jusqu'à 106 MHz, avec des profils pouvant aller jusqu'à 212 MHz prévus pour les futurs amendements relatifs aux évolutions^[Quoi ?]. Ces fréquences maximales étaient limitées à 8,5 ; 17,664 ou 30 MHz sur des profils VDSL2, ce qui ne risquait pas de créer de conflit avec la bande FM. Le spectre de fréquence du G.fast se superpose à celui de la bande FM qui couvre les fréquences comprises entre 87,5 et 108 MHz, mais il se superpose aussi avec divers services de radio gouvernementaux et militaires. Pour limiter les interférences avec ces services radio, la recommandation de l'ITU-T G.9700 spécifie un ensemble de moyens pour contenir la Densité spectrale de puissance du signal transmis au travers du protocole G.fast^[4]; la norme G.9701, (également connu sous le nom de G.fast-phy) est la spécification de la couche physique du protocole G.fast^[5].

Historique

Les débuts de la radio FM

Le 5 janvier 1940, une démonstration de la radio FM devant la FCC (Commission fédérale des communications américaine) fut réalisée pour la première fois.

Le 1^er mars 1945, W47NV commença à émettre à Nashville (Tennessee), devenant la première station de radio FM.

La stéréo

Au départ, la technique de radiodiffusion utilisée consistait simplement à moduler en fréquence la porteuse par un signal audio monophonique d'une largeur de 15 kHz.

À la fin des années 1950, de nombreux systèmes de transmission en stéréo ont été testés dans le monde.

Ainsi, en France des émissions régulières de la RTF ont commencé en 1958 : une émission en stéréo était réalisée par l'utilisation de deux émetteurs, un pour le canal gauche, un pour le canal droit, chacun possédant sa propre fréquence. De même, des expérimentations ont consisté à associer l'émetteur de son de la télévision (sans transmission d'image) avec un émetteur de radio FM. Un autre système expérimenté en France, et surnommé « Le bidule », consistait à transmettre l'une des deux voies à l'aide d'une sous-porteuse à 70 kHz modulée en amplitude. Cependant, les critiques lui ont reproché de ne transmettre qu'une seule voie aux récepteurs monophoniques^[6].

Aux États-Unis, la FCC a étudié plusieurs systèmes, qui se devaient de rester compatibles avec le parc existant de récepteurs monophoniques. 14 propositions ont été reçues, notamment de Crosby, Halstead, Electrical and Musical Industries, Ltd (EMI), Zenith Electronics Corporation et General Electric. Ces systèmes ont été évalués lors d'essais sur le terrain à Uniontown (Pennsylvanie), portant sur la réception des émissions de KDKA-FM effectuées depuis Pittsburgh. Le système Halstead a été rejeté en raison d'une absence de séparation de la stéréo dans les hautes fréquences et d'une réduction du rapport signal sur bruit du signal mono. Le système Crosby, classé deuxième, a finalement été rejeté car la FCC a estimé qu'il dégradait le rapport signal sur bruit de l'émission monophonique, et se comportait mal en cas de trajets multiples. De plus il employait une sous-modulation (de type FM) à bande large, ce qui rendait délicate l'utilisation de sous-porteuses pour des services supplémentaires, un procédé largement exploité en Amérique du nord et connu sous le nom de SCA^[6]. Les systèmes General Electric et Zenith, si proches qu'ils étaient théoriquement équivalents, ont été formellement approuvés par la FCC en avril 1961 en tant que méthode standard de radiodiffusion FM stéréo aux États-Unis^[7]. Comme « Le bidule », cette méthode repose sur l'utilisation d'une sous-porteuse modulée en amplitude (voir ci-dessous), mais elle permet de transmettre les deux voies aux récepteurs monophoniques, assurant donc une meilleure compatibilité ascendante. Les premières émissions en stéréo ont eu lieu le 1^er juin 1961. Elles ont été réalisées par WGHM (Schenectady, État de New York), appartenant à General Electric, et WEFM (Chicago, Illinois), appartenant à Zenith^[8].

Par la suite, le système GE-Zenith a été adopté en Europe (1963^[9]) et dans la plupart des pays.

Extensions

En Amérique du Nord, des sous-porteuses sont fréquemment utilisées pour transmettre des signaux audios supplémentaires, soit à usage interne des stations, soit sous forme de service commercial. Par exemple, il existe des services de diffusion audio : lecture de livres à destination des aveugles, diffusion de musique d'ambiance, etc. D'autres services transmettent des données numériques : radiomessagerie, transmission de cours de bourse, transmission de numéros de cartes bancaires volées à destination des magasins, etc. On parle de Subsidiary Communication Authorization (SCA) aux États-Unis, et de Subsidiary Communications Multiplex Operation (SCMO) au Canada.

Aux États-Unis ont eu lieu des essais de transmission quadriphonique, utilisant une extension du système stéréophonique GE-Zenith.

Au début des années 1970, le système ARI (Autofahrer-Rundfunk-Informationssystem) est mis en place en Allemagne. Il permet de signaler la diffusion d'informations routières.

L'idée de base d'ARI (l'aide aux automobilistes) donne naissance dans les années 1980 au RDS (Radio data system) dans l'Europe entière. Outre la signalisation des informations routières, le RDS permet de diffuser le nom de la station, des fréquences alternatives pour l'écoute sans interruption en voiture, le type de programmes, des signaux horaires, des textes, etc. Le succès est massif en Europe. Dans les années 1990, la norme RDS est reprise aux États-Unis sous le nom RBDS (avec des modifications mineures). Pour le grand public, le nom « RDS » y est généralement utilisé.

Le RDS a été conçu au départ pour être compatible avec ARI. Cependant, la diffusion d'ARI a été définitivement arrêtée en 2006^[10].

Au Japon existe un système de transmission de données comparable au RDS, le Data Radio Channel (DARC). Il a été introduit de façon limitée en Europe et aux États-Unis. En Amérique du Nord, Microsoft a commercialisé entre 2004 et le 1^er janvier 2012 un service de transmission de données comparable au RDS, à plus haut débit cependant, appelé DirectBand / MSN Direct.

Aux États-Unis, une version numérique des stations peut être diffusée sur une sous-porteuse des stations analogiques en FM. Cette approche est dite in-band on-channel. Le système de la société iBiquity, commercialisé sous le nom HD Radio, est actuellement autorisé. Si à terme les récepteurs numériques étaient largement répandus, les signaux analogiques pourraient être supprimés, et ainsi la bande FM basculerait en diffusion numérique. En Europe, l'approche de la radio numérique est différente : de nouvelles bandes sont allouées à la diffusion uniquement en numérique.

Modulation utilisée

La radiodiffusion FM consiste à moduler en fréquence une porteuse par un signal en bande de base. Au départ, ce signal en bande de base était simplement un signal audio monophonique. Cependant, avec l'adjonction de la stéréophonie et d'autres services, ce signal est désormais un signal multiplexe qui dérive du standard GE-Zenith choisi par la FCC en 1961. Ce signal multiplexe en bande de base est décrit ci-après^[11].

Les émissions peuvent être en monophonie ou en stéréophonie. Toutefois, certaines stations n’émettent qu’en mono. Dans tous les cas, un signal monophonique est émis sans modulation de 30 Hz à 15 kHz.

Dans les émissions en stéréo, ce signal monophonique représente en réalité la somme des deux canaux stéréo gauche et droite, soit G + D. De cette façon, un récepteur monophonique dispose bien de l'ensemble des sons émis. Cependant, en stéréo on transmet en plus la différence des voies (G – D) en modulant une sous-porteuse à 38 kHz. Il s'agit d'une modulation d'amplitude à porteuse supprimée. La suppression de la porteuse permet d'améliorer le rapport signal sur bruit. Un signal supplémentaire de référence « pilote » à 19 kHz (inaudible et de faible amplitude) sert à restituer facilement cette sous-porteuse lors de la réception, afin d'effectuer correctement la démodulation. Cela facilite en outre la reconnaissance automatique des émissions stéréophoniques par les récepteurs compatibles. Le récepteur peut passer en mode stéréo ou mono selon la qualité de réception du signal. Pour obtenir sélectivement les voies gauche ou droite, le récepteur stéréophonique effectue la somme ou la différence des deux signaux « G + D » et « G – D », grâce à une matrice, dispositif électronique permettant d'additionner et de soustraire deux signaux simultanément. La technologie à amplificateurs opérationnels, en sommateur et différentiel permet d'obtenir facilement ce matriçage. Le résultat (2 G ou 2 D) se trouve ainsi renforcé.

Les informations du Radio data system (RDS) sont transmises sous forme numérique, via une sous-porteuse à 57 kHz (verrouillée en phase ou en quadrature sur le troisième harmonique du signal pilote). La sous-porteuse à 57 kHz est modulée par déplacement de phase (2-PSK) par un flux de données numériques à 1 187,5 bit/s. Elle est supprimée.

Donc par exemple, avec une radio émettant en stéréo et utilisant le RDS, le résultat sera :

• le signal « G + D » de 30 Hz à 15 000 Hz sans modulation ;
• le signal pilote de 19 000 Hz ;
• le signal « G – D » de 23 000 Hz à 53 000 Hz (modulation d'amplitude à deux bandes latérales, autour de la sous-porteuse supprimée à 38 000 Hz) ;
• le signal RDS (deux bandes latérales autour de la sous-porteuse à 57 000 Hz, supprimée).

Abandon progressif

La Norvège est le premier pays à abandonner définitivement le 13 décembre 2017 l'utilisation de la bande FM au profit de la radio numérique terrestre, désormais captée sur 99,5 % du territoire^[12],[13]. Elle devrait être suivie par la Suisse entre août 2022 (chaînes publiques) et janvier 2023 (chaînes privées)^[14].

Cependant, la radio FM a encore des débouchés technologiques. Le 11 janvier 2018, Samsung annonçait l'activation de la réception FM sur ses nouveaux mobiles vendus en Amérique du Nord^[15].

Notes et références

• (en) Cet article est partiellement ou en totalité issu de l’article de Wikipédia en anglais intitulé « FM broadcasting » (voir la liste des auteurs).

Voir aussi

• Radio AM
• Radio FM en France
• Radio à Paris
• Radio numérique
• Webradio
• Récepteur radio
• FMNET, système de surveillance radio FM en France, base de données des stations de radio FM en France

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