Les modulations numériques en radioamateur : de l’FSK à l’OFDM
Panorama des modes utilisés en décamétrique, VHF/UHF et micro-ondes : FT8, FT4, WSPR, FreeDV, APRS, C4FM, DMR, mesh…
Introduction
- Le mode « numérique » en radioamateur recouvre des réalités très différentes. Un QSO FT8 à −20 dB de rapport signal/bruit et un lien AREDN en 64-QAM n’ont presque rien en commun, si ce n’est qu’ils transportent des bits. Ce qui change, c’est le compromis recherché entre trois grandeurs : la sensibilité (quel SNR minimal pour décoder), le débit et l’occupation spectrale. Aucune modulation ne gagne sur les trois à la fois, et c’est ce qui explique la diversité de tous ces modes.
1. Rappels : La base
- ASK (Amplitud Shift Keying) : l’information est portée par la poreuse, c’est en fait de la CW tout simplement.
- FSK (Frequency Shift Keying) : l’information est portée par la fréquence. C’est la modulation la plus robuste et la plus simple à émettre, car l’amplitude est constante : un amplificateur non linéaire (classe C) convient. Variantes : GFSK (filtre gaussien pour réduire la bande), MSK (indice de modulation 0,5, phase continue), 4FSK (4 fréquences, donc 2 bits par symbole).
- PSK (Phase Shift Keying) : l’information est portée par la phase de la porteuse. BPSK = 2 phases (1 bit/symbole), QPSK = 4 phases (2 bits/symbole), 8PSK = 3 bits/symbole. À SNR égal, la PSK est plus efficace spectralement que la FSK, mais elle exige un émetteur linéaire.
- QAM (Quadrature Amplitude Modulation) : on module à la fois l’amplitude et la phase. 16-QAM = 4 bits/symbole, 64-QAM = 6 bits/symbole, 256-QAM = 8 bits/symbole. Plus la constellation est dense, plus il faut de SNR et de linéarité. La QPSK n’est en fait rien d’autre qu’une 4-QAM.
- La vision « Polaire » (Phase + Amplitude) Si l’on regarde la constellation sous l’angle de la phase et de l’amplitude (coordonnées polaires) :
- L’amplitude correspond à la distance entre le point et le centre (le point zéro). La phase correspond à l’angle formé par rapport à l’axe horizontal. Dans une constellation dense comme la 16-QAM ou la 64-QAM : Il y a plusieurs cercles d’amplitudes différentes. Sur chaque cercle, il y a plusieurs angles (phases) différents.
- OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) : ce n’est pas une modulation au sens strict mais une technique de multiplexage. Le flux de données est réparti sur de nombreuses sous-porteuses orthogonales, chacune modulée en PSK ou en QAM à faible débit symbole. Intérêt majeur : un symbole long est peu sensible aux échos (multi-trajets) grâce à l’intervalle de garde. Contrepartie : un fort facteur de crête (PAPR), donc des exigences de linéarité sévères.
- L’intérêt des signaux I/Q pour l’OFDM Efficacité spectrale : Utiliser des signaux I/Q permet d’exploiter la modulation en bande latérale complexe, doublant ainsi l’efficacité spectrale par rapport à une modulation monopiste réelle.
- Le DSSS et FHSS (Étalement de spectre) en Radioamateur
- La législation radioamateur autorise l’étalement de spectre DSSS et FHSS étalement par saut de fréquence, généralement sur les bandes au-dessus de 430 MHz (selon les pays). [1]
- Le réseau HamNET / ARDEN : Les radioamateurs adorent recycler du matériel Wi-Fi grand public (antennes Ubiquiti, routeurs Mikrotik). Ils modifient le micrologiciel (firmware) pour basculer ces équipements sur des fréquences strictement réservées aux radioamateurs (par exemple dans les bandes 2,4 GHz ou 5,8 GHz). Ils créent ainsi un internet parallèle, maillé et d’urgence, qui utilise nativement le DSSS (normes 802.11b historiques) ou l’OFDM.
2. La famille WSJT-X : FSK à très faible débit, très haute sensibilité
Ces modes, conçus par Joe Taylor (K1JT) et son équipe, sont tous synchrones sur l’horloge (UTC) et utilisent une modulation FSK à enveloppe constante avec un FEC puissant. Les seuils indiqués sont les valeurs usuelles rapportées par la documentation WSJT-X, exprimées dans une bande de référence de 2500 Hz.
| Mode | Modulation | Débit symbole | Largeur occupée | Durée / cycle | FEC | Seuil approximatif |
|---|---|---|---|---|---|---|
| FT8 | 8-GFSK | 6,25 Bd | ≈ 50 Hz | 15 s (émission ≈ 12,6 s) | LDPC (174,91) + CRC14 | ≈ −21 dB |
| FT4 | 4-GFSK | ≈ 20,83 Bd | ≈ 83 Hz | 7,5 s (émission ≈ 4,5 s) | LDPC (174,91) + CRC14 | ≈ −17,5 dB |
| WSPR | 4-FSK | ≈ 1,46 Bd | ≈ 6 Hz | 2 min (émission ≈ 110 s) | convolutif K=32, r=1/2 | ≈ −31 dB |
| MSK144 | MSK (OQPSK équivalent) | 2000 Bd | ≈ 2 kHz | 72 ms (trames courtes) | LDPC (128,90) | météorites, rafales très brèves |
FT8 utilise une modulation par déplacement de fréquence (8-FSK).
- En 8-FSK, l’information n’est pas portée par la phase ou l’amplitude d’une porteuse dans le plan complexe, mais par 8 tonalités (tones) distinctes : envoie un message de 77 bits en 79 symboles, dont 21 symboles de synchronisation (trois réseaux de Costas de 7 symboles). Les 8 tonnes sont espacées de 6,25 Hz, ce qui donne une bande de 50 Hz environ : on peut donc loger des dizaines de QSO dans les 2,5 kHz d’un canal SSB. FT4 reprend la même philosophie avec des cycles deux fois plus courts, plus adaptés aux concours, au prix de 3 à 4 dB perte de sensibilité.
WSPR n’est pas un mode de QSO mais une balise : 50 bits utiles seulement (indicatif, locator, puissance), transmis avec 1 à 5 W. Les spots sont collectés sur wsprnet.org et servent à étudier la propagation. Sa bande de 6 Hz explique sa sensibilité exceptionnelle.
À noter dans cette famille : JT65 (65-FSK, code de Reed-Solomon, historiquement utilisé en EME), JT9 et Q65 (successeur moderne pour l’EME et la diffusion troposphérique).
3. PSK31 et les modes « clavier »
Avant FT8, le mode dominant était le PSK31 : BPSK à 31,25 Bd, soit environ 60 Hz de bande, avec un codage Varicode (les caractères fréquents sont plus courts). Son pendant QPSK31 ajoute un code convolutif. À l’opposé, le RTTY reste un FSK à 45,45 Bd avec 170 Hz de décalage, et des modes comme Olivia ou Contestia utilisent la MFSK avec FEC pour la robustesse. Ces modes sont plus lents que FT8 mais permettent un échange de texte libre.
4. FreeDV : de la voix numérique en HF
Tuto FREE-DV Pour ICOM et Yaesu
FreeDV, projet open source de David Rowe (VK5DGR), transmet de la voix numérique dans un canal SSB standard. Le principe : un vocodeur très bas débit (Codec 2) produit un flux de quelques centaines à quelques milliers de bit/s, qui est ensuite modulé par un modem conçu pour la HF.
| Mode | Technique de modem |
|---|---|
| FreeDV 1600 | OFDM à 16 porteuses en DQPSK, Codec 2 à 1300 bit/s |
| FreeDV 700C | porteuses PSK cohérentes (COHPSK), Codec 2 700C |
| FreeDV 700D / 700E | OFDM en QPSK cohérent avec code LDPC, plus robuste que 700C (700E est optimisé pour les évanouissements rapides) |
| FreeDV 2020 | OFDM, vocodeur neuronal LPCNet, meilleure qualité audio mais SNR plus élevé |
Une évolution récente, RADE (Radio Autoencoder), pousse plus loin l’approche à base de réseaux de neurones. Je ne détaille pas ses paramètres ici, ils évoluent vite : la page officielle freedv.org reste la référence.
exemple de constellation de QAM 16 QAM les plus les points sont concentrés moins le signale comporte des erreurs BER
À retenir : FreeDV illustre bien l’intérêt de l’OFDM en HF. Les sous-porteuses lentes encaissent mieux les étalements de délai de l’ionosphère qu’une porteuse unique rapide.
5. APRS : le vétéran du packet
L’APRS repose sur le protocole AX.25 (trames UI en mode non connecté) et non sur une modulation en tant que telle. Sur le plan physique :
- VHF (144,800 MHz en Europe) : AFSK 1200 Bd, tonalités 1200/2200 Hz (norme Bell 202) transmises en FM. Les bits sont codés NRZI avec bourrage de bits, encapsulés en HDLC avec contrôle CRC-16.
- UHF : on trouve du 9600 Bd en GMSK (modem type G3RUH) sur certaines infrastructures.
- HF (10,147 MHz) : 300 Bd, FSK à 200 Hz de décalage, en BLU.
Il s’agit d’un réseau de diffusion de positions et de messages courts, sans accusé de réception systématique. Les digipeaters et les passerelles internet (iGates) alimentent le système APRS-IS.
6. Voix numérique VHF/UHF : C4FM, DMR, D-STAR
Ces modes utilisent tous un vocodeur AMBE (propriétaire) et une modulation d’enveloppe constante, ce qui permet de réutiliser des émetteurs FM sans linéarité particulière.
- C4FM (Yaesu System Fusion) : 4FSK à 4800 Bd, soit 9600 bit/s bruts, dans un canal de 12,5 kHz. Le nom signifie « Continuous 4-level FM ». Le mode peut transporter voix et données, avec un mode « voix pleine bande » (VW) et un mode « débit réduit » (DN).
- DMR : 4FSK à 4800 Bd également, mais avec un accès multiple TDMA à deux créneaux dans 12,5 kHz, ce qui double la capacité d’une fréquence. Norme ETSI TS 102 361, la plus déployée aujourd’hui avec ses réseaux de relais interconnectés (Brandmeister, TGIF, etc.).
- D-STAR : GMSK à 4800 bit/s, plus ancien (JARL), avec une couche de données intégrée.
- À signaler aussi : NXDN (4FSK, 6,25 kHz) et P25, plus rares en radioamateur.
La 4FSK de C4FM et DMR est typique du compromis « robustesse contre efficacité spectrale » : on double le débit d’une FSK binaire pour une dégradation de sensibilité modérée.
7. Mesh et réseaux haut débit : là où règnent OFDM et QAM
Le terme « mesh » recouvre en pratique deux familles très différentes.
AREDN, HamWAN et réseaux IP micro-ondes. On réutilise du matériel Wi-Fi (IEEE 802.11) avec un firmware dédié. La couche physique est de l’OFDM, chaque sous-porteuse étant modulée en BPSK, QPSK, 16-QAM ou 64-QAM (voire 256-QAM ou plus avec les normes récentes) selon la qualité du lien. Le débit s’adapte donc automatiquement au SNR : QPSK à longue distance, 64-QAM sur un lien court bien aligné. Les largeurs de canal peuvent être réduites (5, 10 ou 20 MHz) pour gagner en sensibilité et rester dans les segments radioamateurs. Les contraintes pratiques sont l’orientation des antennes, la ligne de vue et la linéarité des amplificateurs : un PA saturé dégrade l’EVM et fait chuter le débit.
Meshtastic. Ici, ni OFDM ni QAM : c’est du LoRa, donc du CSS, avec un débit de quelques centaines de bit/s à quelques kbit/s, mais une portée remarquable avec quelques dizaines de milliwatts. Précision utile : Meshtastic fonctionne en pratique sur les bandes ISM (433 MHz et 868 MHz en Europe), et non sur des bandes radioamateurs, avec les règles de puissance et de rapport cyclique correspondantes.
8. Où trouve-t-on vraiment de la QAM et de l’OFDM en radioamateur ?
- Streaming vidéo numérique (ATV/DATV) : DVB-S/S2 (QPSK, 8PSK, 16APSK) en satellite, DVB-T (COFDM avec QPSK, 16-QAM, 64-QAM) en terrestre.
- Réseaux IP haut débit (AREDN et assimilés).
- Modems HF récents comme VARA, ARDOP ou FreeDV, qui utilisent des architectures multi-porteuses.
- SDR : on peut synthétiser n’importe quelle modulation en logiciel, ce qui rend ces expérimentations accessibles.
À l’inverse, les modes de contact DX (FT8, WSPR, JT65) restent résolument en FSK : à très bas SNR, la robustesse prime sur l’efficacité spectrale.
9. Tableau de synthèse
| Mode | Modulation | Usage typique | Débit | Linéarité exigée |
|---|---|---|---|---|
| FT8 / FT4 | GFSK | QSO DX et concours en HF/6 m | très faible | non |
| WSPR | 4-FSK | balise de propagation | très faible | non |
| PSK31 | BPSK | QSO texte en HF | faible | oui |
| FreeDV 1600 / 700D | OFDM (DQPSK / QPSK) | voix numérique HF | faible | oui |
| APRS 1200 | AFSK en FM | positions et messages VHF | 1200 bit/s | non |
| C4FM / DMR | 4FSK | voix VHF/UHF | 9600 bit/s bruts | non |
| D-STAR | GMSK | voix et données VHF/UHF | 4800 bit/s | non |
| AREDN | OFDM + QAM | réseau IP micro-ondes | jusqu’à plusieurs dizaines de Mbit/s | oui |
| Meshtastic | LoRa (CSS) | messagerie bas débit | quelques kbit/s | non |
Conclusion
La règle générale tient en une phrase : plus le signal est faible, plus on choisit une modulation simple et un FEC puissant ; plus le lien est solide, plus on monte en densité de constellation. FT8 et WSPR sont des FSK étroites parce que les signaux qu’ils visent sont enfouis dans le bruit ; AREDN peut se permettre du 64-QAM parce que les liaisons micro-ondes sont stables ; FreeDV adopte l’OFDM pour résister aux échos ionosphériques. Comprendre ce compromis, c’est comprendre pourquoi chaque mode existe.
- Les valeurs numériques citées (seuils de sensibilité, largeurs de bande, cadences) sont celles couramment publiées dans la documentation des projets concernés ; pour une valeur critique, il convient de se référer à la documentation officielle (WSJT-X User Guide, freedv.org, spécification ETSI, documentation AREDN).
- corrigé avec iA