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INTRODUCTION AU TRAITEMENT
NUMÉRIQUE DU SIGNAL
APERÇU DU CHAPITRE
13–1 Concepts de base du traitement numérique
du signal
13–2 Conversion de signaux analogiques sous forme
numérique
13–3 Méthodes de conversion analogique-numérique
13–4 Processeur de signal numérique (DSP)
13–5 Méthodes de conversion numérique-analogique
OBJECTIFS DU CHAPITRE
Nommer les éléments essentiels d’un système de traitement
numérique du signal.
Expliquer comment convertir des signaux analogiques sous
forme numérique.
Discuter du rôle du filtrage.
Décrire un processus d’échantillonnage.
Expliquer lutilité dune conversion analogique-numérique.
Décrire le fonctionnement dun convertisseur analogique-
numérique (CAN).
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INTRODUCTION AU TRAITEMENT
NUMÉRIQUE DU SIGNAL
Convertisseur
analogique-numérique
(CAN)
Processeur de signal
numérique (DSP)
Convertisseur
numérique-analogique
(CNA)
Échantillonnage
Fréquence de Nyquist
Distorsion de repliement
(aliasing)
Quantification
Cœur de DSP
MIP/s
Mégaflops
MMAC/s
Traitement pipeline
Extraction
Décodage
Exécution
Discuter de concepts de base dun processeur de signal
numérique (DSP).
Décrire larchitecture dun processeur de signal numérique.
Nommer différentes fonctions effectuées par un processeur de
signal numérique.
Décrire lutilité dune conversion numérique-analogique.
Décrire le fonctionnement dun convertisseur numérique-
analogique (CNA).
743
INTRODUCTION
Le traitement numérique du signal est une technologie de
pointe utilisée à vaste échelle dans nombre dapplications
comme dans les automobiles, les appareils domestiques,
industriels, médicaux ou militaires, la reproduction dimages,
les télécommunications, linstrumentation et bien dautres.
Le traitement numérique du signal fait appel aux
mathématiques, à la programmation logicielle et à du
matériel informatique de traitement pour manipuler des
signaux analogiques. Il peut servir à améliorer la qualité
dimages, à compresser des données pour un stockage ou
des transmissions plus efficaces, dans la synthèse de la parole,
pour la reconnaissance vocale et ainsi de suite.
Ce chapitre présente un aperçu des nombreuses
possibilités du traitement numérique du signal. Une étude
approfondie de ce sujet nécessiterait beaucoup plus quun
simple chapitre; cest pourquoi nous vous proposons une
liste douvrages dédiés au traitement numérique du signal à
la fin de ce chapitre. Vous pouvez également obtenir les
données et fiches techniques des composants de la famille
TMS320 sur le site Web de Texas Instruments à www.ti.com,
de même que sur des processeurs de signaux numériques à
www.motorola.com et www.analogdevices.com.
CIRCUITS LOGIQUES À FONCTION FIXE
ADC0804
PROCESSEURS DE SIGNAUX NUMÉRIQUES
TMS320C62xx TMS320C64xx TMS320C67xx
TERMES CLÉS
744 INTRODUCTION AU TRAITEMENT NUMÉRIQUE DU SIGNAL
131CONCEPTS DE BASE DU TRAITEMENT NUMÉRIQUE DU SIGNAL
Le traitement numérique du signal permet de convertir des signaux captés sous leur
forme analogique naturelle (sons, vidéo et informations de détecteurs) en données
numériques et incorpore des techniques de correction et de modification des données
de signaux analogiques pour différentes applications.
Après l’étude de cette section, vous pourrez
Définir un convertisseur analogique-numérique (CAN) Définir un processeur
de signal numérique (DSP) Définir un convertisseur numérique-analogique (CNA)
Dessiner le schéma de principe dun système de traitement numérique du signal
Un système de traitement numérique du signal convertit dabord des données analo-
giques en une suite de niveaux distincts. La forme graphique dune telle séquence de
niveaux représentant les variations du signal analogique ressemble à un escalier, comme le
montre la figure 131. Le processus de modification du signal analogique en une approxi-
mation « en escalier » est accompli par un circuit échantillonneur bloqueur.
Lapproximation en forme descalier est ensuite quantifiée en une suite de codes
binaires, où chacun de ces codes définit une marche particulière de lescalier, grâce à un
processus appelé conversion analogique-numérique. Le circuit responsable de cette
transformation est le convertisseur analogique-numérique (CAN).
Une fois converti sous forme numérique, le signal analogique est dirigé vers un
processeur de signal numérique (DSP). Un DSP peut effectuer différents traitements sur les
données entrantes : élimination dinterférences parasites, augmentation ou réduction en
amplitude de certaines fréquences du signal, codage de données pour des transmissions plus
sûres, détection et correction derreurs dans les codes transmis et ainsi de suite. Un DSP
peut servir, entre autres, à corriger des enregistrements sonores, à éliminer leffet d’écho
sur des lignes de communication, à augmenter la précision dimages de tomodensito-
grammes pour des diagnostics médicaux plus précis ou à brouiller les conversations au
téléphone cellulaire pour le droit au domaine privé.
Une fois traités par le DSP, les signaux peuvent être reconvertis en une version améliorée
du signal analogique dorigine par un convertisseur numérique-analogique (CNA). La
figure 132 montre le schéma de principe dun système de traitement numérique du signal.
En réalité, les DSP sont des microprocesseurs spécialisés, sensiblement différents des
microprocesseurs dusage général. Contrairement à ces derniers qui fonctionnent avec des
Chaque niveau maintenu est
converti en un code binaire
par le CAN.
Maintien
Échantillon
FIGURE 131
Signal analogique original
(onde sinusoïdale) et son
approximation « en escalier ».
Signal
analogique CAN DSP CNA Filtre de
reconstruction
Circuit
échantillonneur
bloqueur
Filtre anti-
repliement
Signal
analogique
corrigé
10110
01101
00011
11100
10110
01101
00011
11100
FIGURE 132
Schéma de principe dun système de
traitement numérique du signal.
CONVERSION DE SIGNAUX ANALOGIQUES SOUS FORME NUMÉRIQUE 745
logiciels complexes afin daccomplir un grand nombre de tâches génériques, les
processeurs de signaux numériques servent dans des applications spécialisées. Les DSP
peuvent ainsi dévorer dimposantes quantités de nombres beaucoup plus rapidement et
travailler en temps réel, en traitant les informations à mesure quelles se produisent grâce à
des algorithmes spéciaux. Dune part, le convertisseur analogique-numérique (CAN) dun
système doit être en mesure d’échantillonner les données entrantes à une vitesse suffisante
pour calquer toutes les variations importantes de lamplitude du signal. Dautre part, le DSP
doit être capable de suivre la vitesse d’échantillonnage du CAN et accomplir ses calculs à
une vitesse égale ou supérieure au flux de données échantillonnées quil reçoit. Une fois
traitées par le DSP, les données numériques sont dirigées vers un convertisseur numérique-
analogique (CNA) pour être reconverties sous forme analogique.
132CONVERSION DE SIGNAUX ANALOGIQUES SOUS FORME NUMÉRIQUE
Avant de traiter des signaux à laide de techniques numériques, il faut dabord convertir
le signal analogique sous une forme numérique.
Après l’étude de cette section, vous pourrez
Expliquer le processus de base de conversion dun signal analogique sous forme
numérique Décrire lutilité dun circuit échantillonneur bloqueur Définir la fréquence
de Nyquist Expliquer les causes de la distorsion de repliement (aliasing) et comment
l’éliminer Décrire le rôle dun convertisseur analogique-numérique (CAN)
Filtrage et échantillonnage
Les deux premiers blocs du schéma de principe de la figure 132 correspondent à un filtre
anti-repliement et à un circuit échantillonneur bloqueur. Ce dernier circuit joue deux rôles,
le premier étant l’échantillonnage. Léchantillonnage désigne le processus de capture dun
nombre suffisant de valeurs discrètes en différents points dune forme donde, afin de la
représenter numériquement. Plus le nombre d’échantillons est élevé, plus la forme donde
sera reproduite avec précision. L’échantillonnage convertit ainsi un signal analogique en
une suite dimpulsions, où chacune delles représente lamplitude du signal à un moment
précis. La figure 133 illustre le principe de l’échantillonnage.
Avant d’échantillonner un signal analogique, il faut respecter certains critères afin dobtenir
une représentation fidèle du signal dorigine. À lexception des ondes sinusoïdales pures, tout
signal analogique se compose dun spectre de fréquences composites appelées harmoniques.
Les harmoniques dun signal analogique sont en fait des ondes sinusoïdales, chacune dune
fréquence et dune amplitude distincte. Cest ainsi quen combinant les harmoniques dune
forme donde périodique donnée, on peut obtenir le signal original. Cependant, tout signal à
échantillonner doit dabord traverser un filtre passe-bas anti-repliement pour éliminer les
harmoniques de fréquences supérieures à une certaine valeur nommée fréquence de Nyquist.
Théorème de l’échantillonnage Notez la présence de deux formes dondes dentrée à la
figure 133, lune représentant le signal analogique et lautre la forme donde des
impulsions d’échantillonnage. Lune des règles de l’échantillonnage stipule que pour
reproduire adéquatement un signal analogique, la vitesse d’échantillonnage doit être
1. Quest-ce quun DSP?
2. Que signifie labréviation CAN?
3. Que désigne labréviation CNA?
4. Quel type de circuit peut transformer un signal analogique sous forme binaire?
5. Quel type de circuit peut transformer un signal numérique sous forme analogique?
SECTION 131
RÉVISION
Les réponses se retrouvent
à la fin du chapitre.
746 INTRODUCTION AU TRAITEMENT NUMÉRIQUE DU SIGNAL
supérieure au double de la composante de fréquence la plus élevée contenue dans le signal
analogique, fa(max). En dautres termes, la fréquence analogique la plus élevée ne doit pas
dépasser la moitié du taux d’échantillonnage. L’équation 131 donne le calcul pour la
fréquence fa(max), connue sous le nom de fréquence de Nyquist.
féchantillonnage 2fa(max)
Pour mieux comprendre le théorème de l’échantillonnage, nous pouvons faire appel à la
simple analogie dune balle qui rebondit. Même si cette comparaison noffre pas une
représentation très précise de l’échantillonnage de signaux électriques, elle permet
dillustrer le principe de base. Si vous prenez une seule photo (échantillon) dune balle alors
quelle rebondit, comme le montre la figure 134 a), vous pouvez voir quelle est suspendue
au-dessus du sol, mais vous ne pouvez rien déduire de son parcours. Il vous est impossible
de déterminer si la balle monte ou descend, ni deviner la courbe de son bond. Maintenant,
si vous photographiez cette balle à deux intervalles égaux pendant quelle rebondit comme
à la partie b), vous obtenez un minimum dinformations sur son mouvement, mais aucune
indication sur la courbe de son bond. Ici, vous pourriez déduire que la balle demeure à une
certaine hauteur dune photo à lautre et que sa hauteur maximale est sans doute supérieure
à ce que vous apercevez sur chaque photographie. Enfin, si vous photographiez cette balle
quatre fois comme à la partie c), vous pouvez commencer à voir plus clairement la véritable
trajectoire de la balle alors quelle rebondit. En conséquence, plus vous prenez de photos
(échantillons), plus il vous est facile de déterminer le parcours de la balle lors de son bond.
Équation 131
Circuit
d’échantillonnage
Version
échantillonnée du
signal dentrée
Signal
dentrée
analogique
Impulsions
d’échantillonnage
FIGURE 133
Principe de l’échantillonnage.
a) Échantillon unique du saut dune balle. b) Deux échantillons dune balle pendant son
saut donne un minimum dinformations
sur son déplacement, sans toutefois décrire
clairement son parcours.
c) Quatre échantillons dune balle alors
quelle rebondit crée une image plus
précise de sa véritable trajectoire.
FIGURE 134
Analogie simple de la théorie de
l’échantillonnage.
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