Signal électrique
Un signal électrique est une tension électrique qui varie au fil du temps. La variation de cette tension transmet une information.
Signal de commutation
C'est le type de signal le plus simple. On veut allumer un appareil, déclencher une action, ou pas. Pour cela, le signal ne peut avoir que 2 valeurs de tension. Par exemple 0 volts pour l'état éteint et 5 volts pour l'état allumé.
Signal analogique
Un signal analogique est un signal dont la tension peut varier entre une tension minimum et une tension maximum avec touts les tensions intermédiaires possibles.
Un exemple courant de signal analogique est le signal électrique qui sort d'un microphone. Le microphone reçoit des sons qui sont des vibrations qui se propagent dans l'air. Il génère un tout petit signal électrique dont la tension varie de la même manière que la vibration qu'il a reçu. On peut utiliser un amplificateur pour augmenter très fortement l'amplitude des variations de tension puis brancher un haut-parleur à la sortie de l'amplificateur pour reproduire le son beaucoup plus fort.
Au siècle dernier, on enregistrait le son de morceaux de musique ou de chansons sur des disques. Sur chaque face du disque, il y avait un sillon qui allait en spirale du bord du disque vers le centre et le long de cette spirale, il y avait des ondulations qui représentaient le son. Un magnétophone enregistre aussi le son sous forme analogique sur une bande magnétique. Selon les endroits, un champ magnétique plus ou moins fort est enregistré sur la bande. il reproduit les variations de tension du signal électrique qui a permit d'écrire le signal sonore sur la bande.
La télévision au siècle dernier n'utilisait que des signaux analogiques. Par exemple pour une images la tension du signal vidéo variait en fonction de la luminosité des points de l'image qui étaient transmis les uns après les autres.
Signal numérique
Dans un signal numérique, il n'y a que 2 états électriques. Par exemple 0 et 5 volts. Toutefois, contrairement à un signal de commutation, on veut transmettre une valeur parmi un grand nombre de valeurs possibles. Pour cela, la valeur à transmettre est codée selon le système binaire et chacun des chiffre binaire (bit) de la valeur est transmit durant la même durée. La durée de transmission d'un bit est appelée période d'horloge.
Par exemple, si on veut transmettre la luminosité d'un point d'une image de télévision, une valeur entière qui ira de 0 pour le noir (écrit en binaire 00000000) à 255 pour le blanc (écrit en binaire 11111111) conviendra. Entre le noir et le blanc, d'autres valeurs correspondront à des gris plus ou moins clairs.
Par exemple le gris foncé correspondant à la valeur 49 s'écrit en binaire sur 8 bits 00110001 et pour le transmettre, on pourra mettre le signal à 0 volts durant 2 périodes d'horloge, puis à 5 volts durant 2 périodes d'horloge, à 0 volts durant 3 périodes d'horloge et enfin à 5 volts durant 1 période d'horloge.
Pour transmettre un gris plus clair de valeur 137 qui s'écrit en binaire sur 8 bits 10001001, on met le signal à 5 volts durant 1 période d'horloge, puis à 0 volts durant 3 périodes d'horloge, à 5 volts durant 1 période d'horloge, à 0 volts durant 2 périodes d'horloge et enfin à 5 volts durant 1 période d'horloge.
Il faudra aussi que dans le signal numérique, il y ait une information pour indiquer à quel moment la transmission d'une nouvelle valeur commence. Pour cela, pendant un certain temps entre 2 valeurs, le signal électrique restera dans un état précis (par exemple 0 volts) et juste avant de transmettre la nouvelle valeur, durant un période d'horloge, il passera à l'autre état (5 volts dans le cas de l'exemple).
Passage d'un signal analogique à un signal numérique
Pour transformer un signal analogique en signal numérique, on fait un échantillonnage. L'échantillonnage consiste à mesurer la tension du signal analogique à des instants réguliers. Chaque tension mesurée est convertie en une valeur binaire et transmise sous la forme d'un signal numérique.
La fréquence d'échantilonnage choisie doit être au moins le double de celle des variations les plus rapides du signal analogique que l'on veut numériser.
Passage d'un signal numérique à un signal analogique
C'est l'opération inverse. Chaque fois qu'une nouvelle valeur est transmise dans le signal numérique, elle est convertie en une tension qui remplace dans le signal analogique la tension émisse à partir de l'échantillon précédent.
Comparaison de la rapidité de changement du niveau du signal
Prenons l'exemple d'un son haute fidélité. Les personnes qui entendent le mieux sont capables de percevoir des son aigus jusqu'à 16000 vibrations par secondes. Pour le signal analogique, il suffit de pouvoir transmettre des sinusoïdes jusqu'à la fréquence de 16000 Hertz.
Si on veut numériser le son, il faudra au minimum 32000 échantillonnages par seconde, mais pour les CD audio, il a été choisi de faire encore mieux avec 44100 échantillons par seconde. Ensuite, il y a des sons forts et des sons faibles. Aussi, sur les CD audio, il a été choisi de mesurer les tensions issues du signal analogique avec une précision de 16 bits, soit la possibilité de distinguer dans le signal numérique 216 = 65536 niveaux de tension distincts.
En conséquence, au lieu d'avoir à transmettre un signal analogique pouvant varier jusqu'à 16000 fois par seconde, on transmet un signal numérique dont les tensions oscillent entre seulement 2 valeurs, mais avec une vitesse pouvant atteindre 42100 x 16 = 673600 changements par seconde.
En réalité c'est même plus car :
- comme indiqué plus haut, il faut aussi s'arranger pour transmettre une information disant qu'on commence la transmission d'un nouvel échantillon,
- au lieu de transmettre des sinusoïdes, on transmet des signaux qui passent subitement d'un niveau de tension à un autre. Le passage n'est jamais instantané, mais pour que la forme du signal numérique soit correcte, il faut que le temps de passage d'une tension à l'autre soit au plus le tiers du temps entre la transmission de 2 bits successifs, mais si c'est le cinquième du temps, c'est encore mieux.
Par contre, dans le cas du son ou d'images, un des intérêts d'un signal numérique est qu'on peut compresser les données. Par exemple, un son audible est composé de plusieurs sinusoïdes de plusieurs fréquences (entre 25 et 16000 Hz) mais durant un laps de temps courts, par exemple un vingtième de secondes, le son reste le même. Si on a échantilonné le son pendant la durée adéquate, on peut répéter plusieurs fois le même échantillon. De cette manière on pourra enregistrer avec beaucoup moins de données, un son qui s'entendra à peu près pareil.
De même, si dans une image, en un point particulier, il y a une couleur précise, le plus probable est qu'autour de ce points, il y ait la même couleur ou qu'elle est changé très peu. Ce n'est pas le cas lorsqu'on est pile sur le contour d'un objet, mais c'est le cas le plus fréquent. De plus, s'il s'agit d'une vidéo, le plus souvent, s'il y a une couleur particulière à un endroit, le plus probable est qu'elle y sera encore un vingt-cinquième de seconde après (dans la nouvelle image de la vidéo). En tenant compte de cela, et en effectuant des calculs mathématiques compliqués sur les données de la vidéo, on peut obtenir des images qu'on verra à peu près pareil que la vidéo issue de données non compressées.
En fin de compte, si un signal numérique demande des transmettre des informations à une fréquence plus élevée que le signal analogique qu'il représente, dans le cas du son et des images, la compression des données permet de réduire très fortement les données numériques à transmettre au point qu'on peut transmettre plusieurs chaînes de télévision numérique à la place d'une seule chaînes de télévision analogique.
Signal modulé
Lorsqu'on veut transmettre un signal à distance au moyen d'ondes radio, comme il y a des multiples émetteurs qui transmettent chacun ce qu'ils doivent envoyer, il faut pouvoir sélectionner l'un de ces émetteurs.
Pour cela, chaque émetteur radio émet un signal selon une fréquence élevée par rapport au signal à transmettre appelée fréquence porteuse. Si deux émetteurs d'onde radio utilisent des fréquences de porteuse différentes, on pourra sélectionner l'un des deux.
Il existe plusieurs manières de transmettre un signal en utilisant une fréquence porteuse.
Modulation d'amplitude
C'est le mode de transmission radio le plus ancien. La porteuse est un signal sinusoïdal dont la fréquence est fixe, mais dont l'amplitude varie en fonction de la tension du signal qu'on veut transmettre.
La modulation d'amplitude était pas mal utilisée au siècle dernier pour les stations radio grandes ondes, petites ondes et ondes courtes qui fonctionnent dans des fréquences allant de 150 Khz à quelque mégahertz.
La télévision analogique utilisait aussi la modulation d'amplitude, mais sur des fréquences de porteuses beaucoup plus élevées.
Modulation de fréquence
En modulation de fréquence, l'amplitude de la porteuse est constante, mais sa fréquence varie.
Le diagramme du bas montre comment est transmit un signal en modulation de fréquence. Mais dans la réalité, la variation de fréquence de la porteuse est beaucoup plus faible que ce qu'on voit sur le schéma.
Pour les stations radio, la modulation de fréquence utilise des porteuses dans la gamme 88 à 108 MHz. Dans une gamme de fréquence particulière, on peut mettre moins de stations radio distinctes en modulation de fréquence qu'en modulation d'amplitude. Par contre, lorsque la réception est légèrement mauvaise, le décodage d'un signal modulé en fréquence donnera de meilleurs résultats que s'il avait été modulé en amplitude.
Modulation de phase
Ce type de modulation est moins utilisé que les deux précédents. La porteuse est émise à fréquence et à amplitude constante, mais de temps en temps, les oscillations de la sinusoïde de la porteuse sont envoyées un peu plus tôt ou un peu plus tard que si cette porteuse n'était pas modulée en phase.
Une des utilisations de la modulation de phase était la transmission de la teinte sur les télévisions couleur qui utilisaient le procédé NTSC ou PAL pour la transmission de la couleur.
Modulation de largeur d'impulsion
Contrairement aux trois autres types de modulation qui nécessitent une fréquence porteuse, la modulation par largeur d'impulsion est une manière de transmettre une valeur autrement que par un signal analogique ou par un signal numérique.
Dans le cas d'une modulation par largeur d'impulsion, on a 2 niveaux de tension, par exemple 0 et 5 volts. Le passage dans l'un des états, par exemple entre 0 et 5 volts se produit à des instants très réguliers dans le temps. Une fois ce passage effectué, le retour dans le premier état (par exemple de 5 à 0 volts) se produit après un laps de temps qui dépend de la valeur à transmettre.
On peut par exemple de cette manière doser la luminosité d'une lampe de forte puissance. Au lieu d'envoyer sur la lampe une tension d'intensité variable mais qui ne changera que lorsqu'on voudra modifier la quantité de lumière émise, on fait clignoter la lampe très rapidement (suffisamment vite pour qu'on ne la voit pas clignoter), mais on fait varier la proportion de temps entre l'état allumé et l'état éteint. Si la lampe n'est allumée que 10 % du temps, elle produira moins de lumière que si elle est allumée 50 % ou 90 % du temps.
Pour les équipements qui consomment beaucoup d'électricité, ce mode de fonctionnement produit moins de chaleur (et donc de gaspillage d'énergie) que si on faisait varier la tension de manière analogique.
Les servomoteurs qui servent à piloter les ailerons des avions utilisent aussi la modulation de largeur d'impulsion. Certains émetteurs radio destiné à mettre à l'heure les montres et pendules radiopilotées émettent des signaux binaires en utilisant 2 largeurs d'impulsion.
