types de signaux -...

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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

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Types de signaux

Table des matières

1 Introduction 2

2 Représentation des signaux 32.1 Représentation temporelle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32.2 Représentation fréquentielle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3

3 Les signaux de puissance et informationnel 63.1 Les signaux de puissance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63.2 Les signaux informationnel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

4 Analogique / Numérique 94.1 Analogique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94.2 Numérique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

5 Codage en bande de base / Modulation 125.1 Codage en bande de base . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125.2 Modulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

6 Exemples 14

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1 Introduction

L’électronique a pour objet le traitement par des composants matériels (avec parfois mise enœuvre de logiciel interne) de ce qui est appelé des signaux électroniques. Un signal est unegrandeur qui est considérée comme représentant de manière suffisamment satisfaisante unegrandeur physique donnée et qui porte l’information à traiter. Il s’agit en général d’une tensionélectrique, 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 demanière 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

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2 Représentation des signaux

2.1 Représentation temporelle

La représentation temporelle d’un signal est la représentation la plus naturelle possible. Eneffet, l’axe des abscisses (horizontale) représente le temps (ou durée) du signal, tandis que l’axedes ordonnées représente l’amplitude (ou puissance) du signal. 1

FIGURE 1 – Signal sonore de plusieurs se-condes

FIGURE 2 – 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-posent 2

La représentation temporelle d’un signal s’obtient avec un oscilloscope : elle donne l’évolutionde l’amplitude d’une tension en fonction du temps. Cette représentation conduit au calcul detensions, de période, de fréquence et de pulsation. Cette représentation ne nous renseignepas sur les fréquences contenues dans le signal.

Le spectre d’un signal, c’est la représentation en fonction de la fréquence des amplitudesdes différentes composantes présentes dans le signal.

1. Une bonne source d’inspiration - http://zim.web.free.fr/Chap10-bts.pdf2. Pour aller plus loin - http://zim.web.free.fr/Chap11-bts.pdf

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2.2 Représentation fréquentielle

Exemple : Un signal sinusoïdale de 500Hz pourra être représenté de 2 manières 3.

FIGURE 3 – Représentation temporelle

FIGURE 4 – Représentation fréquentielle

3. Lien : - http://www.sciences.univ-nantes.fr/sites/genevieve_tulloue/Ondes/general/synthese.html

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2.2 Représentation fréquentielle

Autres exemples :

FIGURE 5 – Représentation fréquentielle de quelques signaux périodiques

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3 Les signaux de puissance et informationnel

Les signaux de puissance transportent de l’énergie tandis que les signaux informationnelstransportent de l’information.

FIGURE 6 – Le ligne linge reçoit un signal quitransportant de l’énergie

FIGURE 7 – La tablette reçoit des signauxtransportant 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

FIGURE 8 – Ce chargeur d’ordinateur portable peut fournir un signal de puissance de 19Vcontinue et au maximum 3.43A soit 65W (19 × 3.43)

Des dispositifs électroniques permettent de modifier/transformer/moduler les signaux depuissance pour les adapter aux éléments qui doivent les utiliser.

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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 pourne transmettre qu’une partie du signal à la lampe et ainsi faire diminuer son intensitélumineuse.

FIGURE 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, 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 signauxnumériques 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 lacomposition d’un numéro utilise de DTMF 4.

FIGURE 10 – Signal numérique permettant latransmission à 100Mbit/s sur un réseau infor-matique : FastEthernet

FIGURE 11 – Représentation des sons produitspar les touches d’un téléphone : DTMF

4. DTMF (dual-tone multi-frequency) - http://fr.wikipedia.org/wiki/Code_DTMF

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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)

FIGURE 12 – Cordon réseauFIGURE 13 – Fibre optique

FIGURE 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, ...)

FIGURE 15 – Support électro-nique

FIGURE 16 – Support magné-tique FIGURE 17 – Support optique

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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’unegrandeur physique (ex. une tension électrique). Ce terme provient du fait que la mesure d’unevaleur naturelle (ou d’un élément de signal électrique ou électronique) varie de manièreanalogue à la source.

Ainsi, un thermomètre indique la température à l’aide d’une hauteur de mercure ou d’alcoolcoloré sur une échelle graduée. Ceci est un système analogique. 5

L’électronique analogique est la discipline traitant des systèmes électroniques opérant sur desgrandeurs (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

FIGURE 18 – Signal analogique : analogue à la variation de l’intensité lumineuse courant lajournée (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.

FIGURE 19 – Signal de sortie d’un micro me-suré par un oscilloscope

FIGURE 20 – Signal de sortie d’une caméraN/B, filmant une mire, mesuré par un oscillo-scope

5. Source - http://fr.wikipedia.org/wiki/Analogique6. Source - http://fr.wikipedia.org/wiki/Electronique_analogique

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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 utilisée 7.

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, durantla transmission ou le stockage, par des états haut ou bas d’un signal : c’est une représentationbinaire (0 ou 1).

FIGURE 21 – 2 signaux numériques -> 2 "états"possibles (0 ou 1)

FIGURE 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’atténuationou 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 lacompréhension 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 manièresimple et efficace. Le signal arrivant est une réplique exacte du message d’origine, d’oùune qualité sans équivalent.

FIGURE 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

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4.2 Numérique

Le processus de numérisation s’appelle "l’échantillonnage" et il est assuré par des composantsde type CAN (Convertisseur Numérique Analogique). C’est la transformation du signal enéchantillons : photographies instantanées du signal, prises plusieurs milliers de fois par seconde. 8

FIGURE 24 – Un signal analogique et son échantillonnage

Voici, très succinctement, les différentes étapes de numérisation d’un signal analogiquesimple.

FIGURE 25 – Signal à numériser FIGURE 26 – Échantillonnage

FIGURE 27 – Signal échantillonné

FIGURE 28 – Quantification sur 3 bits

8. De l’analogique au numérique - http://blogs.wefrag.com/troy/2010/02/22/de-lanalogique-au-numerique/

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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 lecanal après un éventuel "Codage en ligne" 9. Le signal transmis est alors sous la forme simpled’un signal codé NRZ 10, Manchester 11, AMI 12 ou autre.

FIGURE 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 I2C : Codage NRZ

9. Codage en ligne - http://fr.wikipedia.org/wiki/Codage_en_ligne10. Non Return to Zero - http://fr.wikipedia.org/wiki/Non_Return_to_Zero11. Codage Manchester - http://fr.wikipedia.org/wiki/Codage_Manchester12. Alternate Mark Inversion - http://fr.wikipedia.org/wiki/Alternate_Mark_Inversion

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5.2 Modulation

5.2 Modulation

En télécommunications, le signal transportant une information doit passer par un moyen detransmission entre un émetteur et un récepteur. Le signal est rarement adapté à la transmissiondirecte 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 desa forme originale en une forme adaptée au canal de transmission, par exemple en faisantvarier les paramètres d’amplitude et d’argument (phase/fréquence) d’une onde sinusoïdaleappelée porteuse.

Le dispositif qui effectue cette modulation, en général électronique, est un modulateur (voirmodem). L’opération inverse permettant d’extraire le signal de la porteuse est la démodulation.

FIGURE 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 affectéd’atténuation et de distorsions. La modulation convertit les informations binaires issues desprotocoles et des logiciels, en tension et courant dans la ligne. Le type de modulation employédoit 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 signalanalogique 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 labox du FAI 14. Des modulation de fréquence/phase/amplitude sont utilisés pour permettreles débits de l’ordre de 20Mbits/s 15.

13. Modulation du signal - http://fr.wikipedia.org/wiki/Modulation_du_signal14. Fournisseur d’Accès Internet15. ADSL - http://fr.wikipedia.org/wiki/ADSL

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6 Exemples

Non Modulé ModuléAnalogique Sortie Casque IPod Radio FM

Caméra analogique Talkie-walkieLigne téléphonique analo-gique

Téléphone sans fil (liaisoncombiné-base)

Cassette audio/vidéoNumérique Liaison réseau 100BaseTX ADSL

Bus série RS485 TNTFibre optique WifiTélécommande Infra-rouge Téléphonie mobileStockage fichiers informatique Télévision par satellite

GPS

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TABLE DES FIGURES

Table des figures

1 Signal sonore de plusieurs secondes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32 Axe horizontal : temps - Axe vertical : signal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33 Représentation temporelle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44 Représentation fréquentielle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45 Représentation fréquentielle de quelques signaux périodiques . . . . . . . . . . . . 56 Le ligne linge reçoit un signal qui transportant de l’énergie . . . . . . . . . . . . . . . 67 La tablette reçoit des signaux transportant de l’information . . . . . . . . . . . . . . 68 Ce chargeur d’ordinateur portable peut fournir un signal de puissance de 19V

continue et au maximum 3.43A soit 65W (19 × 3.43) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69 En haut : signal provenant du réseau EDF - En bas : signal "découpé" . . . . . . . . 710 Signal numérique permettant la transmission à 100Mbit/s sur un réseau informa-

tique : FastEthernet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 711 Représentation des sons produits par les touches d’un téléphone : DTMF . . . . . . 712 Cordon réseau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 813 Fibre optique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 814 Routeur Wifi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 815 Support électronique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 816 Support magnétique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 817 Support optique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 818 Signal analogique : analogue à la variation de l’intensité lumineuse courant la

journée (par ex.) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 919 Signal de sortie d’un micro mesuré par un oscilloscope . . . . . . . . . . . . . . . . . 920 Signal de sortie d’une caméra N/B, filmant une mire, mesuré par un oscilloscope . 921 2 signaux numériques -> 2 "états" possibles (0 ou 1) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1022 Signal numérique bruité . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1023 Le bruit ajouté au signal numérique n’affecte pas l’information . . . . . . . . . . . . 1024 Un signal analogique et son échantillonnage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1125 Signal à numériser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1126 Échantillonnage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1127 Signal échantillonné . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1128 Quantification sur 3 bits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1129 Quelques "codages en ligne" utilisés lors d’un transmission en "bande de base" . . 1230 Modulation d’amplitude (AM) et de fréquence (FM) . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

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