Généralités sur le traitement du signal

Les techniques de traitement du signal ont été, initialement proposées et utilisées dans le but: 1. D’améliorer la qualité des signaux obtenus à l’aide de capteurs.

En effet, les signaux captés et/ou mesurés sont souvent entachés de bruits et de perturbations de diverses origines.

2. Restaurer les signaux ayant subit des dégradations dues aux chaines de mesures et/ou de transmission.

Les appareils et les équipements de mesure, d’acquisition et/ou de transmission présentent toujours des limitations et des imperfections. Ceci se traduit alors par des dégradations sur les signaux observés et mesurés. Parmi, les limites des équipements et des chaines de mesure et de transmission leurs bandes passantes qui ne bloquent certaines fréquences des signaux.

Généralités sur le traitement du signal

Un signal, représentant les variations d’un phénomène naturel, est obtenu grâce à un capteur. Pour chaque phénomène étudié nous avons des capteurs appropriés, exemples: • Le son, qui est un phénomène acoustique, est capté par un microphone • les images, qui sont dues à la lumière, sont captées par des appareils photographiques ou caméras dotés de capteurs CCD (Dispositifs de transferts de charge) par exemple • la température est captée par des thermocouples, des résistances Pt100 …etc • …etc

Généralités sur le traitement du signal

Le signal ainsi capté présente souvent des dégradations et il est entaché de perturbations appelées souvent bruits. Les premières techniques de traitement du signal ont eu pour but la réduction voire l’élimination des bruits et aussi la diminution de l’influence des dégradations dues aux capteurs et aux appareils utilisés dans les chaines de mesure.

Généralités sur le traitement du signal

A l’origine le traitement du signal était analogique, en utilisant essentiellement l’électronique analogique. Mais cette électronique analogique a montré ses limites. De nos jours en utilise de plus en plus le traitement du signal numérique ou DSP (Digital Signal Processing). Ceci exige avant tout la numérisation des signaux qui sont à l’origine analogiques

Domaines d’utilisation du traitement du signal

Le traitement du signal numérique est utilisé, de nos jours, dans tous les domaines expérimentaux comme par exemple: • Electronique • Automatique • dans les télécommunications • en physique expérimentale • en astronomie • météorologie • géophysique • biomédical • dans le domaine militaire • …etc

Les signaux utiles sont souvent à caractère aléatoire. La majorité des bruits sont également de type aléatoire même s’il existe certains bruits que l’on peut qualifier comme déterministes (exemple des interférences du 50Hz). Il est donc difficile de classifier ce qui est un bruit et ce qui est un signal utile. Souvent, d’une manière très simpliste, nous pouvons prétendre qu’un signal utile c’est tout ce que l’on veut voire ou entendre alors qu’un bruit c’est le contraire. Seulement, ce qui est utile, d’près cette définition, pour l’un n’est pas utile pour l’autre. Exemple: le bruit de fond ou bruit thermique, que l’on rencontre dans les composants électroniques et qui est dû aux mouvement Brownien des électrons libres, est toujours qualifié de bruits par les électroniciens alors qu’il peut être considéré comme utile pour un physisicien étudiant le mouvement des électrons.

CLASSIFICATION SPECTRALE

Une autre représentation, purement mathématique, peut être utilisée pour les signaux. Il s’agit de la représentation spectrale ou fréquentielle. Dans ce cas nous intéressons surtout à la bande spectrale ou bande passante (BP) des signaux c’est-à-dire à la gamme des fréquences contenues dans le signal. Nous avons alors quatre familles de signaux: • Les signaux basses fréquences (BF): La majorité des signaux utiles ou porteurs d’informations sont BF. Exemple :

-les signaux audibles (entre quelques centaines de Hz et 15 kHz) - les signaux vidéo (entre Hz et 6 MHz) - les signaux ECG (Electrocardiogrammes) (entre 0Hz et 100 à 200 Hz) - les signaux sismiques une centaine de Hz au maximum - …etc

CLASSIFICATION SPECTRALE

• Les signaux hautes fréquences (HF). Leurs bandes de fréquences se trouvent uniquement dans les HF. Certains bruits et perturbations peuvent être qualifiés de HF • les signaux à bandes étroites: leurs bandes de fréquences est concentrées autour d’une fréquence centrale Fo. L’exemple typique de tels signaux sont les signaux RF (Radio-fréquence) obtenus généralement après une opération de modulation. On parle alors d’ondes modulées. Cette opération de modulation est surtout utilisée dans les émetteurs des chaines de transmission • les signaux à larges bandes. Leurs bandes de fréquences s’étalent des basses fréquence aux hautes fréquences. Certains bruits comme les bruits thermiques qualifiés de bruits blancs sont de larges bandes. Nous pouvons également obtenir volontairement des signaux de larges bandes dans certaines chaines de transmission

CHAINES DE TRANSMISSION

Les chaines et les systèmes de transmission ont évolués. Ils existent depuis plus d’un siècle. Au début et pendant plusieurs décennies on a utilisé que des systèmes de transmission analogiques. Mais avec l’évolution des techniques et des technologies numériques les chaines de transmission sont de plus en plus devenues numériques. Dans le cas général, une chaine de transmission est divisée en trois parties:

• L’émetteur • Le canal • Le récepteur L’émetteur est composé de modules nécessaires pour préparer le signal à l’émission selon le canal utilisé Le récepteur est souvent composé de modules effectuant des opérations inverses à ceux utilisés dans l’émetteur

CHAINES DE TRANSMISSION

CHAINES DE TRANSMISSION ANALOGIQUES: Il s’agit des chaines de transmission classiques utilisées jusqu’à nos jours. Les exemples typiques les systèmes de transmission radio et TV analogiques.

Capteur. Exemples: Microphone CCD Thermocouple …etc

Prétraitement ou conditionnement

Filtrage et

amplification analogiques

Oscillateur

Codages.

Multiplexages analogiques et/ou

cryptage …etc

Oscillateur sinusoïdal

Modulation analogique

AM, FM ou PM

Amplificateur RF

Amplificateur

BF

Décodages.

Démultiplexages analogiques et/ou décryptage …etc

Démodulation analogique

AM, FM ou PM

Amplificateur RF

Haut parleurs ou écran …etc

Phénomène naturel Exemples: Son Image Température …etc

C A N A L

CHAINES DE TRANSMISSION

CHAINES DE TRANSMISSION NUMERIQUES: Il s’agit des chaines de transmission d’aujourd’hui. Les exemples typiques les systèmes de transmission radio et TV numériques (comme DAB, DVB), le GSM et aussi les réseaux informatiques et l’internet.

Capteur. Exemples: Microphone CCD Thermocouple …etc

Prétraitement ou conditionnement

Filtrage et

amplification analogiques

Numérisations Echantillonnage et quantification

Codages numériques

Codage canal, compression,

cryptage

Modulations numériques

(QAM, PSK, FSK …etc)

+ Amplification RF

Conversion numérique analogique

et

Amplificateur BF

Décodages numériques.

Démodulation numérique

Amplificateur RF

Haut parleurs ou écran …etc

Phénomène naturel Exemples: Son Image Température …etc

C A N A L

LES SIGNAUX USUELS

Il existe en électronique et bien entendu en traitement des signaux certains types de signaux usuels qui sont souvent utilisés.