Types de signaux

Types de signaux
Table des matières
1 Introduction
2
2 Représentation des signaux
2.1 Représentation temporelle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.2 Représentation fréquentielle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3
3
3
3 Les signaux de puissance et informationnel
3.1 Les signaux de puissance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.2 Les signaux informationnel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6
6
7
4 Analogique / Numérique
9
4.1 Analogique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
4.2 Numérique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
5 Codage en bande de base / Modulation
12
5.1 Codage en bande de base . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
5.2 Modulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
6 Exemples
14
1
1
Introduction
L’électronique a pour objet le traitement par des composants matériels (avec parfois mise en
œuvre de logiciel interne) de ce qui est appelé des signaux électroniques. Un signal est une
grandeur qui est considérée comme représentant de manière suffisamment satisfaisante une
grandeur physique donnée et qui porte l’information à traiter. Il s’agit en général d’une tension
électrique, d’un courant, mais ce peut être également un champ électrique ou magnétique.
Traditionnellement, les signaux sont classés en 3 grands types :
– signaux analogiques ;
– signaux numériques ;
– signaux de puissance ;
suivant la manière dont on considère ce signal et l’usage que l’on souhaite en faire.
Les signaux analogiques et numériques sont souvent issus d’un dispositif de stockage permettant d’enregistrer (de manière permanente ou non) l’information. L’information sera stockée de
manière numérique ou analogique.
Nous allons aborder dans ce chapitre, les notions de :
– Signaux de puissance et informationnel
– Représentation temporelle et fréquentielle
– Signaux analogique et numérique
– Signaux "codé en bande de base" et modulé
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2
Représentation des signaux
2.1
Représentation temporelle
La représentation temporelle d’un signal est la représentation la plus naturelle possible. En
effet, l’axe des abscisses (horizontale) représente le temps (ou durée) du signal, tandis que l’axe
des ordonnées représente l’amplitude (ou puissance) du signal. 1
F IGURE 1 – Signal sonore de plusieurs secondes
2.2
F IGURE 2 – Axe horizontal : temps - Axe vertical : signal
Représentation fréquentielle
Dans ce cas, le signal est représenté en fonction de la fréquence des signaux qui le composent 2
La représentation temporelle d’un signal s’obtient avec un oscilloscope : elle donne l’évolution
de l’amplitude d’une tension en fonction du temps. Cette représentation conduit au calcul de
tensions, de période, de fréquence et de pulsation. Cette représentation ne nous renseigne
pas sur les fréquences contenues dans le signal.
Le spectre d’un signal, c’est la représentation en fonction de la fréquence des amplitudes
des différentes composantes présentes dans le signal.
1. Une bonne source d’inspiration - http://zim.web.free.fr/Chap10-bts.pdf
2. Pour aller plus loin - http://zim.web.free.fr/Chap11-bts.pdf
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2.2
Représentation fréquentielle
Exemple : Un signal sinusoïdale de 500Hz pourra être représenté de 2 manières 3 .
F IGURE 3 – Représentation temporelle
F IGURE 4 – Représentation fréquentielle
3. Lien : - http://www.sciences.univ-nantes.fr/sites/genevieve_tulloue/Ondes/general/synthese.html
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2.2
Représentation fréquentielle
Autres exemples :
F IGURE 5 – Représentation fréquentielle de quelques signaux périodiques
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3
Les signaux de puissance et informationnel
Les signaux de puissance transportent de l’énergie tandis que les signaux informationnels
transportent de l’information.
F IGURE 6 – Le ligne linge reçoit un signal qui
transportant de l’énergie
3.1
F IGURE 7 – La tablette reçoit des signaux
transportant de l’information
Les signaux de puissance
Les signaux de puissance sont des signaux électriques qui comportent plusieurs caractéristiques :
– Tension
– Courant ou puissance maximal que peut fournir la source
P =U ×I
F IGURE 8 – Ce chargeur d’ordinateur portable peut fournir un signal de puissance de 19V
continue et au maximum 3.43A soit 65W (19 × 3.43)
Des dispositifs électroniques permettent de modifier/transformer/moduler les signaux de
puissance pour les adapter aux éléments qui doivent les utiliser.
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3.2
Les signaux informationnel
Exemple :
– Le chargeur d’ordinateur portable modifie le signal de puissance provenant du réseau EDF
(240V alternatif) en signal de puissance utilisable par l’ordinateur portable (19V continu).
– Pour faire varier l’intensité lumineuse d’une lampe, un variateur de puissance va "modifier,
transformer, moduler, découper" le signal de puissance en provenant du réseau EDF pour
ne transmettre qu’une partie du signal à la lampe et ainsi faire diminuer son intensité
lumineuse.
F IGURE 9 – En haut : signal provenant du réseau EDF - En bas : signal "découpé"
3.2
Les signaux informationnel
Les signaux informationnels permettant le transport d’information : image, son, vidéo, information sur l’état d’une porte (ouverte ou fermé), température extérieure, etc...
Ces signaux sont caractérisés par le débit d’information (en bits/s) lorsque ce sont des signaux
numériques et par la bande de fréquence utilisée si ce sont des signaux analogiques.
Exemple :
– Le signal numérique transportant l’information sur un réseau informatique à l’aide du
protocole FastEthernet permet une communication à 100Mbits/s
– Le signal analogique transportant l’information de la voix sur le réseau téléphonique de
France Télécom a une bande passante d’environ 4000Hz. La signalisation permettant la
composition d’un numéro utilise de DTMF 4 .
F IGURE 10 – Signal numérique permettant la
transmission à 100Mbit/s sur un réseau informatique : FastEthernet
F IGURE 11 – Représentation des sons produits
par les touches d’un téléphone : DTMF
4. DTMF (dual-tone multi-frequency) - http://fr.wikipedia.org/wiki/Code_DTMF
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3.2
Les signaux informationnel
Pour transporter de l’information, 3 grandeurs physiques sont utilisées :
– L’électricité (cuivre)
– La lumière (fibre optique, air)
– Les ondes électromagnétique (air)
F IGURE 13 – Fibre optique
F IGURE 12 – Cordon réseau
F IGURE 14 – Routeur Wifi
Pour stocker l’information, 3 principes sont utilisés actuellement :
– Stockage électronique (mémoire RAM/ROM, SSD, ...)
– Stockage magnétique (Disque durs, mini-disc, bandes magnétique, ...)
– Stockage optique (CD/DVD/Bluray, ...)
F IGURE 15 – Support électronique
F IGURE 16 – Support magnétique
F IGURE 17 – Support optique
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4
Analogique / Numérique
4.1
Analogique
Le terme analogique désigne les phénomènes, appareils électroniques, composants électroniques et instruments de mesure qui représentent une information par la variation d’une
grandeur physique (ex. une tension électrique). Ce terme provient du fait que la mesure d’une
valeur naturelle (ou d’un élément de signal électrique ou électronique) varie de manière
analogue à la source.
Ainsi, un thermomètre indique la température à l’aide d’une hauteur de mercure ou d’alcool
coloré sur une échelle graduée. Ceci est un système analogique. 5
L’électronique analogique est la discipline traitant des systèmes électroniques opérant sur des
grandeurs (tension, courant, charge) à variation continue.On emploie le terme « analogique »
car les grandeurs électriques utilisées sont à l’image du signal à traiter (analogues). 6
F IGURE 18 – Signal analogique : analogue à la variation de l’intensité lumineuse courant la
journée (par ex.)
Exemple :
– Le signal en sortie d’un microphone analogique est "analogue" à la vibration de l’air
produit par la voix.
– Le signal en sortie d’une caméra de surveillance analogique est "analogue" à l’intensité
lumineuse des points constituant l’image que capte la caméra.
F IGURE 19 – Signal de sortie d’un micro mesuré par un oscilloscope
F IGURE 20 – Signal de sortie d’une caméra
N/B, filmant une mire, mesuré par un oscilloscope
5. Source - http://fr.wikipedia.org/wiki/Analogique
6. Source - http://fr.wikipedia.org/wiki/Electronique_analogique
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4.2
4.2
Numérique
Numérique
Pour éviter que le bruit électromagnétique perturbe le signal analogique pendant la transmission ou le traitement, la numérisation est utilisée 7 .
La numérisation consiste à convertir le signal analogique en une suite de nombres dont chacun représente l’amplitude instantanée du signal originel. Ces nombres sont représentés, durant
la transmission ou le stockage, par des états haut ou bas d’un signal : c’est une représentation
binaire (0 ou 1).
F IGURE 21 – 2 signaux numériques -> 2 "états"
possibles (0 ou 1)
F IGURE 22 – Signal numérique bruité
Les avantages des signaux numériques sont :
– Il permet de bénéficier des développements et progrès informatique.
– Il est moins coûteux.
– L’enregistrement numérique est beaucoup plus tolérant que son équivalent analogique
vis-à-vis d’un support de qualité médiocre.
– De rendre indépendant le signal de la distance : lorsqu’un signal analogique est transporté
sur un canal de transmission, il subit de nombreuses modifications, comme l’atténuation
ou l’ajout de bruit, qui affectent la qualité de cette transmission. A l’arrivée, après amplification, le signal originel est mêlé à du bruit, ce qui dans certains cas, rend difficile la
compréhension du message. Les signaux numériques ne prenant que deux valeurs, « 0 »
ou « 1 », le bruit occasionné par les canaux de transmission peut être enlevé de manière
simple et efficace. Le signal arrivant est une réplique exacte du message d’origine, d’où
une qualité sans équivalent.
F IGURE 23 – Le bruit ajouté au signal numérique n’affecte pas l’information
7. Un bon PDF qui explique bien - http://zim.web.free.fr/Chap12%20-%20bts.pdf
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4.2
Numérique
Le processus de numérisation s’appelle "l’échantillonnage" et il est assuré par des composants
de type CAN (Convertisseur Numérique Analogique). C’est la transformation du signal en
échantillons : photographies instantanées du signal, prises plusieurs milliers de fois par seconde. 8
F IGURE 24 – Un signal analogique et son échantillonnage
Voici, très succinctement, les différentes étapes de numérisation d’un signal analogique
simple.
F IGURE 25 – Signal à numériser
F IGURE 26 – Échantillonnage
F IGURE 27 – Signal échantillonné
F IGURE 28 – Quantification sur 3 bits
8. De l’analogique au numérique - http://blogs.wefrag.com/troy/2010/02/22/de-lanalogique-au-numerique/
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5
Codage en bande de base / Modulation
5.1
Codage en bande de base
Dans le jargon des télécommunications, le terme de "bande de base" ou "base de bande"
désigne une technique de transmission par laquelle le signal est envoyé directement sur le
canal après un éventuel "Codage en ligne" 9 . Le signal transmis est alors sous la forme simple
d’un signal codé NRZ 10 , Manchester 11 , AMI 12 ou autre.
F IGURE 29 – Quelques "codages en ligne" utilisés lors d’un transmission en "bande de base"
Exemple :
– Communication réseau 100BaseTX : Codage 4B5B et codage MLT-3
– Liaison série RS485 et Bus I2 C : Codage NRZ
9.
10.
11.
12.
Codage en ligne - http://fr.wikipedia.org/wiki/Codage_en_ligne
Non Return to Zero - http://fr.wikipedia.org/wiki/Non_Return_to_Zero
Codage Manchester - http://fr.wikipedia.org/wiki/Codage_Manchester
Alternate Mark Inversion - http://fr.wikipedia.org/wiki/Alternate_Mark_Inversion
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5.2
5.2
Modulation
Modulation
En télécommunications, le signal transportant une information doit passer par un moyen de
transmission entre un émetteur et un récepteur. Le signal est rarement adapté à la transmission
directe par le canal de communication choisi, hertzien, filaire, ou optique. 13
La modulation peut être définie comme le processus par lequel le signal est transformé de
sa forme originale en une forme adaptée au canal de transmission, par exemple en faisant
varier les paramètres d’amplitude et d’argument (phase/fréquence) d’une onde sinusoïdale
appelée porteuse.
Le dispositif qui effectue cette modulation, en général électronique, est un modulateur (voir
modem). L’opération inverse permettant d’extraire le signal de la porteuse est la démodulation.
F IGURE 30 – Modulation d’amplitude (AM) et de fréquence (FM)
Par exemple, pour faire communiquer deux utilisateurs de courriels par une ligne téléphonique,
des logiciels, un ordinateur, des protocoles, un modulateur et un démodulateur sont nécessaires.
La ligne téléphonique est le canal de transmission, sa bande passante est réduite, il est affecté
d’atténuation et de distorsions. La modulation convertit les informations binaires issues des
protocoles et des logiciels, en tension et courant dans la ligne. Le type de modulation employé
doit être adapté d’une part au signal (dans ce cas numérique), aux performances demandées
(taux d’erreur), et aux caractéristiques de la ligne.
Exemple :
– Radio FM : La voix/musique de la station (signal analogique) est modulée (modulation de
fréquence) autour d’une fréquence centrale (104.7Mhz pour RMC Info par ex.). L’autoradio "se cale" sur la fréquence centrale et démodule le signal pour récupérer le signal
analogique image de la voix/musique. D’autres données numériques (Nom de la station,
etc...) sont aussi modulées et transmissent de la même manière.
– Liaison ADSL : les données numériques à émettre sur une ligne ADSL sont modulées par la
box du FAI 14 . Des modulation de fréquence/phase/amplitude sont utilisés pour permettre
les débits de l’ordre de 20Mbits/s 15 .
13. Modulation du signal - http://fr.wikipedia.org/wiki/Modulation_du_signal
14. Fournisseur d’Accès Internet
15. ADSL - http://fr.wikipedia.org/wiki/ADSL
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6
Exemples
Analogique
Numérique
Non Modulé
Sortie Casque IPod
Caméra analogique
Ligne téléphonique analogique
Cassette audio/vidéo
Liaison réseau 100BaseTX
Bus série RS485
Fibre optique
Télécommande Infra-rouge
Stockage fichiers informatique
Modulé
Radio FM
Talkie-walkie
Téléphone sans fil (liaison
combiné-base)
ADSL
TNT
Wifi
Téléphonie mobile
Télévision par satellite
GPS
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TABLE DES FIGURES
Table des figures
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Signal sonore de plusieurs secondes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Axe horizontal : temps - Axe vertical : signal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Représentation temporelle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Représentation fréquentielle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Représentation fréquentielle de quelques signaux périodiques . . . . . . . . . . . .
Le ligne linge reçoit un signal qui transportant de l’énergie . . . . . . . . . . . . . . .
La tablette reçoit des signaux transportant de l’information . . . . . . . . . . . . . .
Ce chargeur d’ordinateur portable peut fournir un signal de puissance de 19V
continue et au maximum 3.43A soit 65W (19 × 3.43) . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
En haut : signal provenant du réseau EDF - En bas : signal "découpé" . . . . . . . .
Signal numérique permettant la transmission à 100Mbit/s sur un réseau informatique : FastEthernet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Représentation des sons produits par les touches d’un téléphone : DTMF . . . . . .
Cordon réseau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Fibre optique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Routeur Wifi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Support électronique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Support magnétique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Support optique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Signal analogique : analogue à la variation de l’intensité lumineuse courant la
journée (par ex.) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Signal de sortie d’un micro mesuré par un oscilloscope . . . . . . . . . . . . . . . . .
Signal de sortie d’une caméra N/B, filmant une mire, mesuré par un oscilloscope .
2 signaux numériques -> 2 "états" possibles (0 ou 1) . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Signal numérique bruité . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Le bruit ajouté au signal numérique n’affecte pas l’information . . . . . . . . . . . .
Un signal analogique et son échantillonnage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Signal à numériser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Échantillonnage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Signal échantillonné . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Quantification sur 3 bits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Quelques "codages en ligne" utilisés lors d’un transmission en "bande de base" . .
Modulation d’amplitude (AM) et de fréquence (FM) . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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