Le signal
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Résumé de cette page

Cette page n'existait pas dans le site initial.
Elle m'a été demandée par des lecteurs et lectrices qui ne voyaient pas très précisément ce que j'entendais par "signal".
Ils me demandent de préciser également les mots : "information", "analogique" ,"digital","continu","discret".
Ils aimeraient également quelques exemples pratiques.
Enfin, les lecteurs me demandent également de préciser l'importance de cette étude.

Ma réponse :
C'est un vaste sujet !
On ne peut pas le traiter totalement en une seule page.

On serait tenté de le résumer.
Mais il faut beaucoup de mots pour bien faire comprendre certaines notions complexes.
Les définitions des dictionnaires sont souvent incompréhensibles pour les néophytes .


Je vais donc essayer de présenter en une page Web, non pas la totalité du sujet mais :

  1. Les définitions de base : "signal" , "information", "analogique" ,"digital","continu","discret".
  2. Quelques exemples et applications pratiques significatives abordées très superficiellement,
    uniquement pour donner envie de poursuivre cette étude..

A la fin de cette page, on aura dégrossi l'étude.

Bien entendu, chaque domaine de l'étude du signal sera ensuite abordé individuellement
dans les pages suivantes de ce site.



Qu'entend-on par le mot "signal"

Je comprends ceux qui doutent de la signification de ce mot "signal" car il est polysémique .
Si vous consultez un dictionnaire, vous trouverez, entre bien d'autres, les sens suivants :

Sens
Exemples
Signe convenu pour donner un ordre
A mon signal, attaquez !
Appareil ou paneau routier pour signaler un danger
Signal de STOP, de détresse.
Fait ou événement qui marque un début.
La prise de la Bastille a été le signal de la Révolution.
etc...
etc...
Variation d'une grandeur physique quelconque
porteuse d'information.
La cause de l'absence d'image sur votre téléviseur
est que le signal d'antenne ne parvient pas à votre prise télé.

C'est, bien entendu, ce dernier sens qui nous intéresse ici.
Nous ne parlons donc plus des autres sens.

Mais même avec cette restriction, le mot signal couvre énormément de significations.

Précisons sur quelques exemples la signification de ces trois mots :
" VARIATION " - " GRANDEUR PHYSIQUE " - " INFORMATION ".



L'information radiophonique ou télévisée.


Le premier sens qui vient à l'esprit du mot "information" est celui du bulletin d'information radiophonique ou télévisée.
Ce sont des "informations" sur l'actualité politique, sociale, religieuse, les faits divers,
qui nous parviennent via les média : télé - radio - journaux - magazines ?
Ces informations sont de nature très complexe.
Images, sons, signes d'écriture.

Sommes-nous, dans un cours sur le signal, concernés par ce type d'information ?

Posez-vous la question et voyez ensuite ma réponse en passant le curseur de la souris
sur l'image
:

Conclusion :
Dans l'étude du signal, on ne s'intéresse pas à l'information elle-même mais au signal qui la transporte.

Or, quelle est, d'après vous, la nature de ce signal dans le cas de l'information télévisée ou radiophonique ?
Posez-vous la question et voyez ensuite ma réponse en passant le curseur de la souris
sur l'image
:


Conclusion :
Le signal peut être représenté de diverses manières suivant les technologies employées et les points de son parcours.

Autre question :
Quelle est la proposition exacte parmi les deux suivantes :
1 - Au niveau de la prise antenne-télé murale, le signal est une tension électrique variable.
2 - Au niveau de la prise antenne-télé murale, le signal est représenté par une tension électrique variable.
Posez-vous la question et voyez ensuite ma réponse en passant le curseur de la souris
sur l'image
:

Conclusion :
Un même signal peut être représenté par diverses grandeurs physiques variables
telles qu'une tension électrique variable, une intensité lumineuse variable, une pression atmosphérique variable (son), etc.

Comment un signal peut représenter une information ?
Comment une grandeur physique peut représenter un signal ?
Quels problèmes surgissent dans ces opérations ? Quelles solutions adopte-t-on ?
Telles sont les questions que l'on se pose dans l'étude de ce qu'on appelle
Analyse et traitement du signal.

A titre purement indicatif, voici à quoi ressemble un oscillogramme d'un signal vidéo.

La vue d'un tel schéma (dit " temporel " : tension électrique en fonction du temps)
peut être utile à un spécialiste pour y déceler quelques anomalies.
Mais il n'apprend pas grand chose sur les très nombreuses composantes de ce signal particulièrement complexe.
D'autres types de diagrammes (fréquentiels entre autre) sont nécessaires pour le décrire rigoureusement .

Les méthodes particulières de représentation adaptées aux signaux complexes
constituent l'un des éléments importants de l'analyse du signal.


Quelques précisions supplémentaires sur le signal vidéo en :

Le signal vidéo est certainement parmi les plus complexes des signaux que l'on est amené à analyser.
On trouve dans la pratique des informations beaucoup moins complexes mais tout autant nécessaires,
comme nous allons le voir maintenant.

Information type " TOUT OU RIEN "

Exemples industriels ou domotiques

1° Indication de présence (ou d'absence) :

L'étude de ce type de signaux trouve surtout son application dans les automatismes industriels
ou domotiques.

Exemples :

  • Passage d'un objet à un endroit précis d'une chaîne de production industrielle.
    Exemple : une bouteille est-elle ou non face au dispositif de bouchage dans une chaîne d'embouteillage.
  • Présence d'une personne dans un espace : problèmes d'aire de sécurité pour le travail ou d'intrusion dans un espace privé.
  • Présence d'un obstacle : arrêt de la descente d'un rideau métallique si un objet se trouve dans sa trajectoire.
  • Existence de pression : une machine à laver ne doit par démarrer si le robinet d'eau est fermé.
  • Existence de tension électrique : les générateurs auxiliaires doivent être mis en marche en cas de défaillance du réseau d'alimentation en énergie électrique.
  • Existence d'un différentiel de courant électrique : si les courants des deux phases du réseau d'alimentation en énergie électrique diffèrent, il est probable qu'une fuite existe - peut-être une personne en électrocution. Le disjoncteur différentiel détecte cette information et coupe aussitôt le courant d'alimentation.
  • Allumage automatique de projecteurs au passage de personnes.
Comme on le voit, les applications sont très nombreuses et diverses.

C'est en fait la plus simple des informations : ou c'est OUI ou c'est NON !
C'est ce qu'on appelle une information binaire

2° Indications de seuil.
Voici un autre type d'informations binaires.
Il est souvent important de savoir si une grandeur a atteint certain seuil, supérieur ou inférieur.

Exemples :

  • existence d'une tension électrique d'alimentation suffisante pour démarrer une machine
  • existence d'un niveau d'eau minimum pour démarrer un lavage,
  • trop-plein d'une cuve, ou, au contraire :
  • alarme "réservoir presque vide" d'une voiture ou d'un avion.

Ces informations binaires s'appellent aussi informations "TOUT OU RIEN"
Ou encore informations TOR ( acronyme
de Tout ou Rien )

Ces informations sont détectées par des capteurs spécifiques à chacune des situations.

  • cellules photo-électriques ou capteurs magnétiques pour la détection précise de la position d'un objet.
  • capteurs infra-rouge pour une présence humaine ou animale (détectent la chaleur émise par le corps).
  • jauges de niveau pour les réservoirs,
  • capteurs de pression
  • disjoncteurs (entre autre différentiels)
  • etc

Ils sont très nombreux et vous comprenez que nous ne puissions pas d'entrée vous les décrire tous.

 

Comment représenter une information TOR ?

Certes, étant binaire, cette information ne peut prendre que deux valeurs, mais lesquelles ?
On a déjà cité OUI et NON pour représenter ces valeurs.
On peut également leur attribuer les états VRAI ou FAUX.
Mais dans la pratique on préfère leur attribuer les chiffres 1 ou 0.
Généralement 1 correspond à OUI ou à VRAI et 0 correspond à NON ou à FAUX.
Mais pas toujours

En informatique, par exemple, 0 représente toujours FAUX,
mais VRAI peut être représenté par n'importe quel nombre non nul.

L'intérêt d'attribuer les chiffres 0 et 1 pour les deux états d'une information binaire
permet de leur appliquer une algèbre particulière pour résoudre des problèmes de logique complexes sur ce type d'information.
C'est l'algèbre de BOOLE

Dans cette algèbre, si x est une variable représentant une information binaire,
x ne peut prendre que les valeurs 1 ou 0,
on l'appelle variable booléenne ou on dit aussi que c'est un booléen.

Autre façon de parler, on dira que la variable booléenne x est à l'état logique 1 ou 0 - ou ( VRAI ou FAUX)

Rapport entre information TOR et signal

Dans le domaine des automatismes industriels, l'information TOR est presque toujours convertie en un signal électrique,
vu la souplesse du traitement du signal par l'électronique.
La conversion est faite à la source par des capteurs transformant le signal TOR physique en un signal TOR électrique.

Il subsiste des exceptions : ci-dessous un dispositif de traitement de signal purement mécanique
pour détecter un niveau d'eau et déclencher le vidage ou arrêter le remplissage.


Une chasse d'eau de WC !

Les capteurs TOR transforment le plus souvent l'information qu'ils reçoivent en signaux électriques de tension ou d'intensité.
Par exemple +12V pour l'état logique "1" et -12V pour l'état logique "0".
Mais ce peut être l'inverse, ou d'autres tensions.
Ou des intensités : 0 - 20 mA par exemple
.

Voici un exemple de représentation comparée : information - niveaux logiques - signal .
La courbe du bas représente le niveau d'eau en mètres en fonction du temps en heures.
La courbe intermédiaire montre l'information captée par un détecteur de niveau :
seuil atteint ? : 1 pour OUI : 0 pour NON
La courbe du haut est le signal fourni par le capteur : +12 V pour NON : -12V pour OUI.

.

Nous sommes passés de l'information la plus compliquée (l'information télévisuelle) au plus simple l'information TOR.
Il y a pourtant des informations d'une complexité intermédiaire que nous allons voir maintenant.


Information type " ANALOGIQUE "

Exemples d'information analogique

Prenons le cas du tachymètre (compteur de vitesse) d'un véhicule.
L'information "vitesse" est plus riche qu'une information de type TOR
en ce sens qu'elle peut prendre non pas deux valeurs, mais une infinité de valeurs.

Remarquez qu'entre deux valeurs quelconques de vitesse, je peux trouver une infinité d'autres valeurs.
Par exemple, entre 15,5 km/h et 15,6 km/h je peux trouver les valeurs 15,51 ou 15,52, ou 15,52147 etc...
Et même entre 15,52147 et 15,52148 je peux trouver 15,521475 etc...

Une grandeur telle qu'on puisse trouver une infinité de valeurs finies comprises entre deux valeurs quelconques
s'appelle une grandeur continue.

La vitesse est une grandeur continue.
Comme la température, la pression, une durée, etc...

Alors la question de pose de savoir s'il existe des grandeurs non continues ?
Posez-vous la question et voyez ensuite ma réponse en passant le curseur de la souris
sur l'image
:

Une grandeur non continue s'appelle grandeur discrète.
Ne dites surtout pas "discontinue" car cela a un sens très différent en mathématiques.

Exemples d'information analogique

Ils sont innombrables.

  • Dans l'automatisation : déplacementslinéaires ou angulaires, vitesses de déplacement ou de rotation, accélérations, forces, pressions, températures, etc.
  • En acoustique : le son est une variation continue de la pression atmosphérique
    captée par un micro : .
  • Un signal vidéo classique est une information analogique.

Comment représenter une information analogique ?

La représentation temporelle (grandeur en fontion du temps) semble la plus appropriée.

Mais pour les signaux rapidement variables, d'autres représentations s'avèrent indispensables.
Par exemple, il est impossible d'analyser à vue le diagramme temporel d'un son.



D'autres types de représentation sont plus efficaces.
Par exemple, la représentation fréquentielle ou spectrale.


Le plus souvent
des outils mathématiques comme mes transformées de Fourrier s'avèrent indispensables.

C'est sur ce type d'outils que se base l'analyse du signal.

L'une des applications industrielles les plus remarquables de l'analyse du signal est la régulation.
Il s'agit de stabiliser automatiquement une vitesse ou une position malgré les freinages ou les accélérations
auxquels sont soumis un moteur, un mécanisme de freinage -ABS- , l'assiette d'un avion ou la trajectoire d'un missile,
ou tout simplement l'acostage en douceur d'une planète par un véhicule spatial..

Certes, la souplesse de l'électronique a beaucoup apporté à cette technique,
mais elle aurait été loin de suffire sans un traitement complexe et en temps réel des signaux fournis par les capteurs
avant d'attaquer les actionneurs de stabilisation, de positionnement, de freinage, etc.

Nous ne sommes plus à l'époque du régulateur à boules purement mécanique !

Régulateur à boules
C'est un appareil analogique purement mécanique.
Chapeau l'ancêtre !

Au fait, pourquoi ce nom d'analogique ?
Et pourquoi " digital".
Quelle différence avec le mot : "numérique" ?

Comme ce sont des questions de vocabulaire je vous laisse libre d'en voir
la signification historique dans l'encart que vous obtiendrez en cliquant sur le livre ci-dessous.


Information numérique


L'information numérique n'existe pas dans la nature dont toutes les grandeurs sont par essence analogiques.
Quoique ...

Le domaine de l'information numérique naît avec la machine à calculer.
En particulier avec l'ordinateur.

Voici le schéma fonctionnel de l'unité de calcul d'un processeur (Unité Centrale d'Ordinateur).
ALU : Arithmetic and Logical Unit



Une opération s'effectue à partir de deux nombres appelés "opérandes".
Dans un tel dispositif, les opérandes sont obligatoirement des nombres binaires
car ills doivent pouvoir être introduits dans des mémoires appellées "registres".
Dans l'exemple, pour simplifier on a représenté des registres à huit bits,
mais les Unités centrales actuelles possèdent des registres d'ALU à 16, 32 ou 64 bits.

L'opération est déclenchée par programme : addition, soustraction, multiplication,division,
"et" , "ou", "ou exclusif ", logiques, décalages ou rotations de bits etc.

Elle est très rapide puisque la logique combinatoire de l'ALU l'effectue en un temps de l'ordre de la nanoseconde.
Elle est aussi rapide avec des ALU à 8 bits qu'avec 64 et pourquoi pas 128 bits.

La supériorité de l'ordinateur est précisément cette rapidité de calcul.

La tendance de ces dernières années a donc été de réformer toutes les machines de traitement analogique de l'information
qui seront remplacées par des systèmes basés sur des unités centrales programmées (processeurs)
qui traitent l'information numériquement.

Avantages :

  • rapidité de calcul,
  • nouvelles possibilités de traitement (les calculateurs analogiques atteignaient leurs limites) grâce à la facilité avec lequelle on résout des équations mathématiques complexes par programmation d'un processeur numérique.
  • miniaturisation : une carte processeur peut être très petite,
  • simplicité de conception : des laboratoires spécialisés dans l'étude et la conception des calculateurs numériques existent partout dans le monde
  • simplicité de modification : il suffit de modifier le programme c'est très facile et ne nécessite pas de reconstruire la machine comme c'était le cas des machines analogiques,
  • coût très faible car la fabrication est automatisable : main-d'oeuvre exécutive réduite et nécessitant peu de formation.

Le seul problème est que les informations à traiter sont analogiques
et que si la machine doit gérer un dispositif physique tel que l'ouverture progressive d'une vanne
ou un haut parleur dans le cas du traitement du son,
ou l'image d'un écran vidéo, ce qui est le cas de celui que vous regardez en ce moment, etc.
il va falloir convertir les signaux analogiques naturels en valeurs numériques et inversement !

Le dispositif le plus général de mise en oeuvre du traitement numérique du signal est ce qu'on appelle
une chaîne de traitement du signal

L'exemple choisi dans le schéma ci-dessous concerne le traitement du son, grandeur purement analogique.
Il regroupe tous les composants d'une chaîne de traitement de l'information telle qu'on peut la rencontrer
dans l'industrie ou le laboratoire pour le traitement d'autres grandeurs analogiques.


Dans le schéma ci-dessus,
on observera que le signal analogique subit les traitemnts suivants :

  • d'abord amplifié par un amplificateur analogique.

  • Un CONVERTISSEUR ANALOGIQUE-NUMÉRIQUE convertit le signal analogique en signal numérique (le nombre de bits généré est une caractéristique du convertisseur employé).

  • Le signal est acheminé par un "bus" qui compte autant de fils que de bits, vers l'unité de traitement numérique (ordinateur).
    Le traitement peut être une simple mesure de la grandeur (déclenchement d'une alarme en cas d e dépassement) jusqu'aux opérations complexes de filtrage et compression des sons.

  • On pourrait s'arrêter là, mais le traitement numérique a souvent pour but de générer des signaux de sortie pour commander des moteurs en commande analogique, ouvrir des vannes analogiques (progressives), etc..
    Dans le cas du son il doit être reproduit par une chaîne comprenant amplificateur final et haut-parleurs.

    Mais ces actionneurs sont tous analogiques et l'ordinateur ne "parle" que numérique.
    Pour cela on prévoit en sortie de l'unité de traitement un CONVERTISSEUR NUMÉRIQUE-ANALOGIQUE
    qui, comme son nom l'indique transformera le signal multi-bits en signal analogique final.

  • comme les CNA sont de faible puissance, un amplificateur analogique doit souvent être fourni en sortie.

ET MAINTENANT, QU'ALLONS-NOUS FAIRE ?

La page qui s'achève ici avait pour but de vous introduire dans le domaine du traitement numérique du signal.

Mais beaucoup de points doivent être approfondis.

Vous pouvez dès maintenant vous rendre au sommaire de l'étude de traitement du signal
pour choisir une voie particulière :

Amoins que vous ne préfériez suivre le séquencement ci-dessous
qui vous enmènera directement aux convertisseurs CAN et CNA.

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