Conversion analogique/numérique

Audio-vidéo
Numérisation du Signal
Conversion Analogique / Numérique
(CAN)
Objectif
Cette présentation reprend les notions de base :
Signal analogique
Caractéristiques des signaux analogiques
Échantillonnage du signal analogique
Fréquence d’échantillonnage fs (ou fe)
Théorème de Shannon / Nyquist
Quantification, quantification delta / sigma
CAN vidéo, influence du choix de fs
Conclusion
Objectif principal : Comprendre et évaluer les critères de
conversion analogique/numérique
Source documentaire :
1- Signal analogique
Caméra
analogique
Oscilloscope
Micro
Signal audio
→ variation continue de la tension
en fonction du temps
Signal vidéo
→ variation continue avec apparition
d’une périodicité
Que représentent les signaux issus du micro et de la caméra analogique ?
Source documentaire :
Techniques AV et MM (Dunod)
2- Caractéristiques des signaux analogiques
Encombrement spectral des signaux analogiques :
Amplitude
Amplitude
C
Y
16kHz
Aigu
Basse
16Hz
Médium
Fréquence
Fréquence
50Hz
Aplat de
l’image
f
Amplitude
6MHz(L)
Détails de
l’image
f
Amplitude
Signal audio
0
Signal vidéo
Temps
0
→ Tension alternative
→ Tension positive
Temps
Noter les différences de caractéristiques des signaux analogiques.
Source documentaire :
Techniques AV et MM (Dunod)
3- Echantillonnage du signal analogique
Échantillonner, c’est prélever des échantillons à des intervalles
de temps réguliers.
Signal analogique
Signal analogique
Échantillons
Horloge
Horloge
Échantillons
L’opération d’échantillonnage doit être précise :
- la fréquence de l’horloge doit être fixée avec précision
- l’horloge ne doit pas comporter de gigue de phase (gitter)
Quelle structure est la plus à même de produire l’horloge d’échantillonnage ?
Source documentaire :
Techniques AV et MM (Dunod)
Cours de télévision (Dunod)
4- Fréquence d’échantillonnage fs (ou fe)
Le contenu du signal analogique original est correctement saisi
si le nombre des échantillons prélevés est suffisant.
Signal analogique
Signal analogique
Échantillons
Horloge
Horloge
fs ou fe doit être :
Échantillons
- au moins supérieure au double de la fréquence supérieure
fmax du signal analogique à échantillonner ;
- fs (sampling frequency) ou fe > 2.fmax
On dispose alors d’au moins 2 échantillons / période du signal analogique
Quelles fréquences d’horloge sont nécessaires à l’échantillonnage audio et vidéo ?
Relever les fréquences d’échantillonnage
Source documentaire :
et les applications AV correspondantes.
Techniques AV et MM (Dunod)
Cours de télévision (Dunod)
5- Théorème de Shannon / Nyquist
L’analyse spectrale du signal échantillonné montre qu’il faut
fs ou fe $ 2fmax pour récupérer le signal.
Pour se prémunir des signaux HF perturbateurs qui risquent de
se superposer au signal analogique utile, un filtre passe-bas
doit être placé en entrée du circuit d’échantillonnage.
Signal analogique
Anti-aliasing filter
Échantillonneur
Signal analogique + bruit
Horloge
La fréquence d’échantillonnage fs (ou fe) étant choisie, la bande de
fréquence correspondant à 2.fs est appelée bande de Nyquist. La
bande passante occupée par le signal à numériser doit toujours être
inférieure à 2.fs.
Quelles peuvent être les conséquences d’un mauvais réglage du filtre d’antirecouvrement (anti-aliasing filter) ?
Source documentaire :
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6- Quantification (linéaire)
Quantification
Chaque échantillon est maintenu puis quantifié.
Échantillons
Horloge
La quantification (linéaire, LPCM) :
- attribue une valeur (choisie dans une échelle)
à chaque échantillon.
- introduit une erreur de quantification
L’erreur de quantification (bruit de quantification)
dépend du pas de quantification
Le bruit de quantification diminue quand fs augmente
111
110
101
100
011
010
001
000
Discuter les éléments de quantification et le rapport signal sur bruit.
Source documentaire :
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7- Quantification delta / sigma
Modulation delta (∆
∆)
Le codage sur un bit résulte de la comparaison de l’échantillon
entrant avec l’échantillon précédent (codage différentiel).
Modulation ∆Σ,
∆Σ démodulation
Amélioration du codage ∆, il permet de mieux prendre en compte
les caractéristiques du signal audio,
Le démodulateur ∆Σ (lecteur SACD) est simplement réalisé à
partir d’un filtre passe-bas.
Définir le principe de fonctionnement d’un circuit de prédiction. Évaluer le principe
d’un codage différentiel. Quels sont les
Source documentaire :
avantages d’un codage delta / sigma ?
Techniques AV et MM (Dunod)
8- CAN vidéo
Influence du choix de la fréquence d’échantillonnage
Les convertisseurs analogique/numériques (SDTV) fonctionnent
avec une fréquence d’échantillonnage de 13,5 MHz.
Réduction de la fréquence d’échantillonnage
Quelles sont les conséquences de la réduction de la fréquence d’échantillonnage ?
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9- Conclusion
Évaluer les avantages liés à la numérisation du signal.
Montrer en quoi l’erreur relative, due à la quantification,
est plus importante pour les signaux de faible amplitude.
Quel(s) avantage(s) y a-t-il à choisir une fréquence
d’échantillonnage fs >> à la fréquence fmax analogique ?
Quelle(s) conséquence(s) sont liées à une diminution de fs ?
Dans une chaîne d’acquisition de données, comment est-il
préférable d’implanter le CAN ?
Conclure
Source documentaire :
Techniques AV et MM (Dunod)
Cours de télévision (Dunod)
Numérisation du Signal
Conversion Analogique / Numérique
Fin
Merci de votre attention, …
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