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 2 / 15 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 3 / 15 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 4 / 15 2.2 Représentation fréquentielle Autres exemples : F IGURE 5 – Représentation fréquentielle de quelques signaux périodiques 5 / 15 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. 6 / 15 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 7 / 15 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 8 / 15 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 9 / 15 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 10 / 15 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/ 11 / 15 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 12 / 15 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 13 / 15 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 14 / 15 TABLE DES FIGURES Table des figures 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 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) . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 3 4 4 5 6 6 6 7 7 7 8 8 8 8 8 8 9 9 9 10 10 10 11 11 11 11 11 12 13 15 / 15