Traitement du signal et Applications cours 4

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1 Traitement du signal et Applications cours 4 Master Technologies et Handicaps 1 ère année Philippe Foucher 1

2 Signaux Signaux analogiques: signaux produits de manière naturelle, continus (capteurs, amplificateurs) traitement réalisé par circuits électroniques, (ou manuellement) Signaux numériques: signaux utilisés dans le traitement informatique, discrets, facilité et rapidité de traitement. Ils sont artificiels traitement réalisé par micro-ordinateurs, DSP (microprocesseurs spécialisés) 2

3 Problème(s) Acquisition microphone Signal analogique Traitement (parole, son) Signal numérique Émission (Émetteur, haut-parleurs) Signal analogique Conversion analogique numérique (CAN) Conversion numérique analogique (CNA) 3

4 Microphone (1) capte et enregistre le message sonore. Conversion d un son en signal électrique proportionnel (méthodes électrostatiques, à membrane,...). Le signal électrique obtenu est analogique 4

5 Microphone (2) Caractérisé par: - diagramme directionnel (omnidirectionnel, bi-directionnel, ) - courbe de réponse - sensibilité et résistance interne. 5

6 Conversion Analogique/numérique(1) Musique, Son Instrumentation Scanner Modem 6

7 Conversion Analogique-numérique (2) La conversion analogique-numérique se décompose en deux actions: - l échantillonnage - la quantification 7

8 Qualité de la CAN La qualité du signal numérique dépend donc: - Taux d échantillonnage (ou fréquence d échantillonnage) plus la fréquence est grande, plus la qualité du signal numérique est bonne. - le nombre de bits sur lequel on code les valeurs (phase de quantification) 8

9 Echantillonnage Qui dit échantillonnage dit perte d information. Si fréquence très faible espace très grand entre deux données grosse perte d informations Si fréquence trop grande information stockée inutile gaspillage de l espace de stockage Fréquence d échantillonnage: fréquence à laquelle les données sont enregistrées ou capturées (Hz nombre de valeurs par seconde). 9

10 Exemple: A partir d un signal analogique 1,5 1 0,5 f(t) 0-0, ,5 temps (ms) 10

11 signal numérique. 1,5 1 0,5 0-0,5 0, ,5 11

12 30, Si mauvais échantillonnage 1 0,8 0,6 0,4 0,2 25, , , ,0000 5,0000 0, ,2-0,4-0,6-0,8-1

13 Théorème de Shannon fréquence de Nyquist Pour pouvoir échantillonner un signal, il faut fixer une fréquence d échantillonnage au moins égale au double de la fréquence du signal fréquence limite = fréquence de Nyquist (théorème de Shannon) Signal sinusoïdal fréquence du signal: pas de problème 13

14 Exemple: signal sinusoïdal T Signal analogique (f = 10 Hz) échantillonnage à 20Hz (=2f) cas parfait si on part du maximum Sous échantillonnage à 10Hz 14

15 Signal périodique non sinusoïdal On applique le théorème de shannon mais quelle fréquence choisir? Signal peut être décomposé en signaux sinusoïdaux dont la fréquence est le multiple d une fréquence fondamentale (transformée de Fourier). 15

16 Dans la pratique On fait un échantillonnage du signal à très haute fréquence f e Toutes les fréquences supérieures à f e /2 sont éliminées. Filtre anti-aliasing (antirepliement) 16

17 Exemple: CD audio La fréquence d échantillonnage d un CD audio est f e = Hz (44.1 khz) On enlève tout ce qui est supérieur à f e /2 = Hz. Ça tombe bien: l oreille humaine ne capte pas les fréq. supérieures à 20kHz. 17

18 Aliasing Si on garde les fréquences > f e /2 risque d aliasing phénomène d Aliasing (ou de repliement): restitution d un «faux» signal dû à un mauvais échantillonnage. 18

19 Exemple d aliasing(1) 1,5 1 0,5 f(t) 0-0, ,5 temps (ms) 19

20 Exemple d aliasing(2) 1,5 1 0,5 f(t) 0-0, ,5 temps (ms) 20

21 Exemple d aliasing (3) 1,5 1 0,5 f(t) 0-0, ,5 temps (ms) 21

22 Quantification (1) Chaque valeur est quantifiée sur un certain nombre de bits par rapport à la valeur réelle du signal analogique. Nombre de bits disponibles est important pour quantifier la valeur du signal à un temps t. Plus le nombre est élevé, plus la quantification est de qualité 22

23 Quantification (2) Quantification - sur 1 bit (2 valeurs) - sur 8 bits = 1 octet (256 valeurs) - sur 16 bits = 2 16 valeurs les quantifications se font en général sur 16 bits 23

24 Quantification normale 1,5 1 0,5 0-0,5 0,003 3,145 6,

25 Sous-Quantification (1 bit) 1,5 1 0,5 0-0,5 0,003 3,145 6, ,5 25

26 Traitement Analyse spectrale Filtre Reconnaissance Amplification 26

27 Convertisseur Numérique/analogique Le signal numérique peut-être issue d un CAN ou d un microprocesseur (synthèse sonore) Le CNA transpose le signal numérique en signal analogique (électrique). Signal proportionnel au codage binaire à partir d un petit circuit électronique composé de résistances et d une tension de référence 27

28 CNA: exemples Carte son, Sortie audio Modem Synthétiseur sonore Imprimante (jet d encre) 28

29 Emission Le signal électrique analogique doit être transcrit en «son»: émetteur sonore (enceintes, éccouteurs, oreillette, ). Utilisation de méthodes électromagnétiques (vibration membrane en fonction des variations de courant électrique). 29

30 Effet larsen Signal transmis par émetteur est capté par le microphone Amplification en boucle jusqu à saturation Endommagement du matériel Microphone Emetteur 30

31 Applications Reconnaissance de la parole Appareils auditifs Protections auditives Transmission de l image et du son Commande à distance 31