Types de signaux
Table des matières
1 Introduction 2
2 Représentation des signaux 3
2.1 Représentation temporelle . . . 3 2.2 Représentation fréquentielle . . . 3
3 Les signaux de puissance et informationnel 6
3.1 Les signaux de puissance . . . 6 3.2 Les signaux informationnel . . . 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 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 permet- tant 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 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
FIGURE 1 – Signal sonore de plusieurs se- condes
FIGURE2 – Axe horizontal : temps - Axe verti- cal : signal
2.2 Représentation fréquentielle
Dans ce cas, le signal est représenté en fonction de la fréquence des signaux qui le com- posent2
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
2.2 Représentation fréquentielle
Exemple : Un signal sinusoïdale de 500Hz pourra être représenté de 2 manières3.
FIGURE3 – Représentation temporelle
FIGURE4 – Représentation fréquentielle
3. Lien : - http://www.sciences.univ-nantes.fr/sites/genevieve_tulloue/Ondes/general/synthese.html
2.2 Représentation fréquentielle Autres exemples :
FIGURE5 – Représentation fréquentielle de quelques signaux périodiques
3 Les signaux de puissance et informationnel
Les signaux de puissance transportent de l’énergie tandis que les signaux informationnels transportent de l’information.
FIGURE6 – Le ligne linge reçoit un signal qui transportant de l’énergie
FIGURE 7 – La tablette reçoit des signaux transportant de l’information
3.1 Les signaux de puissance
Les signaux de puissance sont des signaux électriques qui comportent plusieurs caractéris- tiques :
– Tension
– Courant ou puissance maximal que peut fournir la source P =U×I
FIGURE8 – 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.
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.
FIGURE9 – 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, informa- tion 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 DTMF4.
FIGURE10 – Signal numérique permettant la transmission à 100Mbit/s sur un réseau infor- matique : FastEthernet
FIGURE11 – Représentation des sons produits par les touches d’un téléphone : DTMF
4. DTMF (dual-tone multi-frequency) - http://fr.wikipedia.org/wiki/Code_DTMF
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)
FIGURE12 – Cordon réseau
FIGURE13 – Fibre optique
FIGURE14 – 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, ...)
FIGURE15 – Support électro-
nique FIGURE16 – Support magné-
tique FIGURE17 – Support optique
4 Analogique / Numérique
4.1 Analogique
Le terme analogique désigne les phénomènes, appareils électroniques, composants élec- troniques 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
FIGURE18 – 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.
FIGURE19 – Signal de sortie d’un micro me- suré par un oscilloscope
FIGURE 20 – Signal de sortie d’une caméra N/B, filmant une mire, mesuré par un oscillo- scope
5. Source - http://fr.wikipedia.org/wiki/Analogique
6. Source - http://fr.wikipedia.org/wiki/Electronique_analogique
4.2 Numérique
4.2 Numérique
Pour éviter que le bruit électromagnétique perturbe le signal analogique pendant la transmis- sion ou le traitement, la numérisation est utilisée7.
La numérisation consiste à convertir le signal analogique en une suite de nombres dont cha- cun 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).
FIGURE21 – 2 signaux numériques -> 2 "états"
possibles (0 ou 1)
FIGURE22 – 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 am- plification, 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.
FIGURE23 – 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
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
FIGURE24 – Un signal analogique et son échantillonnage
Voici, très succinctement, les différentes étapes de numérisation d’un signal analogique simple.
FIGURE25 – Signal à numériser FIGURE26 – Échantillonnage
FIGURE27 – Signal échantillonné
FIGURE28 – Quantification sur 3 bits
8. De l’analogique au numérique - http://blogs.wefrag.com/troy/2010/02/22/de-lanalogique-au-numerique/
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 NRZ10, Manchester11, AMI12ou autre.
FIGURE29 – 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 I2C : Codage NRZ
9. Codage en ligne - http://fr.wikipedia.org/wiki/Codage_en_ligne 10. Non Return to Zero - http://fr.wikipedia.org/wiki/Non_Return_to_Zero 11. Codage Manchester - http://fr.wikipedia.org/wiki/Codage_Manchester 12. Alternate Mark Inversion - http://fr.wikipedia.org/wiki/Alternate_Mark_Inversion
5.2 Modulation
5.2 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.
FIGURE30 – 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’auto- radio "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 FAI14. Des modulation de fréquence/phase/amplitude sont utilisés pour permettre les débits de l’ordre de 20Mbits/s15.
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
6 Exemples
Non Modulé Modulé
Analogique Sortie Casque IPod Radio FM Caméra analogique Talkie-walkie Ligne téléphonique analo-
gique
Téléphone sans fil (liaison combiné-base)
Cassette audio/vidéo
Numérique Liaison réseau 100BaseTX ADSL
Bus série RS485 TNT
Fibre optique Wifi
Télécommande Infra-rouge Téléphonie mobile Stockage fichiers informatique Télévision par satellite
GPS
TABLE DES FIGURES
Table des figures
1 Signal sonore de plusieurs secondes . . . 3
2 Axe horizontal : temps - Axe vertical : signal . . . 3
3 Représentation temporelle . . . 4
4 Représentation fréquentielle . . . 4
5 Représentation fréquentielle de quelques signaux périodiques . . . 5
6 Le ligne linge reçoit un signal qui transportant de l’énergie . . . 6
7 La tablette reçoit des signaux transportant de l’information . . . 6
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) . . . 6
9 En haut : signal provenant du réseau EDF - En bas : signal "découpé" . . . 7
10 Signal numérique permettant la transmission à 100Mbit/s sur un réseau informa- tique : FastEthernet . . . 7
11 Représentation des sons produits par les touches d’un téléphone : DTMF . . . 7
12 Cordon réseau . . . 8
13 Fibre optique . . . 8
14 Routeur Wifi . . . 8
15 Support électronique . . . 8
16 Support magnétique . . . 8
17 Support optique . . . 8
18 Signal analogique : analogue à la variation de l’intensité lumineuse courant la journée (par ex.) . . . 9
19 Signal de sortie d’un micro mesuré par un oscilloscope . . . 9
20 Signal de sortie d’une caméra N/B, filmant une mire, mesuré par un oscilloscope . 9 21 2 signaux numériques -> 2 "états" possibles (0 ou 1) . . . 10
22 Signal numérique bruité . . . 10
23 Le bruit ajouté au signal numérique n’affecte pas l’information . . . 10
24 Un signal analogique et son échantillonnage . . . 11
25 Signal à numériser . . . 11
26 Échantillonnage . . . 11
27 Signal échantillonné . . . 11
28 Quantification sur 3 bits . . . 11
29 Quelques "codages en ligne" utilisés lors d’un transmission en "bande de base" . . 12
30 Modulation d’amplitude (AM) et de fréquence (FM) . . . 13
