Signal – Grandeur porteuse d’information en électronique

Un signal en électronique est une grandeur physique dépendante du temps qui véhicule des informations sur un système, un processus ou un phénomène. Les signaux sont la base de tous les systèmes de communication, de contrôle et de traitement électroniques. Ils peuvent représenter n’importe quoi, d’un mot prononcé à la température dans un moteur d’avion, en codant l’information sous forme de variations de tension, de courant, de champs électromagnétiques ou même de lumière.

Les signaux sont centraux dans tous les domaines de l’électronique – des interrupteurs et capteurs simples aux systèmes complexes d’avionique, de télécommunications et de sécurité critique. Ils sont régis par des normes bien définies (par exemple, UIT, OACI) pour garantir l’intégrité, l’interopérabilité et la fiabilité, notamment dans les secteurs réglementés comme l’aéronautique.

1. Définition et concept fondamental

Au sens large, un signal est toute grandeur physique qui varie dans le temps pour transmettre de l’information. En électronique, les formes les plus courantes sont :

• Tension (différence de potentiel entre deux points)
• Courant (déplacement de charges électriques)
• Intensité de champ électromagnétique (comme dans les systèmes RF et micro-ondes)
• Intensité optique (en fibre optique et en imagerie)
• Déplacement mécanique (dans les capteurs ou actionneurs)

Mathématiquement, un signal est représenté par une fonction (par exemple s(t)), où t est le temps. La valeur du signal à un instant donné encode une information – comme le niveau sonore, l’état d’un interrupteur ou un flux de données numériques.

Les signaux peuvent être générés naturellement (par des capteurs ou transducteurs) ou artificiellement (comme les flux de données informatiques). Leur but principal est de permettre la circulation de l’information – à l’intérieur des dispositifs ou à l’extérieur, via des réseaux de communication.

Exemple concret :
En aéronautique, un capteur de température sur un moteur d’avion produit un signal de tension proportionnel à la température du moteur. Ce signal est numérisé, traité et affiché aux pilotes, et peut aussi être transmis aux stations au sol pour l’analyse de maintenance.

2. Classification des signaux

2.1 Signaux analogiques vs numériques

Les signaux analogiques sont continus dans le temps et en amplitude. Ils peuvent prendre n’importe quelle valeur dans une plage à tout instant – idéaux pour représenter des variables physiques comme la température, la pression ou le son.

Les signaux numériques sont discrets dans le temps et en amplitude, utilisant généralement des valeurs binaires (0 et 1). Ils codent l’information en séquences d’étapes distinctes ou d’impulsions, ce qui les rend intrinsèquement robustes face au bruit et faciles à traiter et à stocker.

En pratique :
Les systèmes modernes d’avionique et de communication utilisent en grande partie des signaux numériques pour la fiabilité et l’intégration, mais les signaux analogiques restent courants dans les interfaces de capteurs et les équipements anciens.

2.2 Signaux à temps continu vs à temps discret

• Les signaux à temps continu (ex. s(t)) sont définis pour chaque instant du temps.
• Les signaux à temps discret (ex. s[n]) n’existent qu’à des intervalles précis et réguliers.

Les signaux à temps discret résultent de l’échantillonnage de signaux à temps continu – concept fondamental du traitement numérique du signal (DSP).

2.3 Signaux périodiques vs apériodiques

• Les signaux périodiques se répètent à intervalles réguliers (ex. ondes sinusoïdales, impulsions d’horloge).
• Les signaux apériodiques ne se répètent pas (ex. parole, bruit aléatoire).

Cette distinction est importante pour l’analyse – les signaux périodiques se traitent par séries de Fourier, les signaux apériodiques par transformée de Fourier.

2.4 Signaux déterministes vs aléatoires (stochastiques)

• Les signaux déterministes peuvent être décrits précisément par une formule mathématique (ex. onde sinusoïdale).
• Les signaux aléatoires (stochastiques) sont imprévisibles, définis par leurs propriétés statistiques (ex. bruit thermique).

Comprendre les signaux stochastiques est essentiel pour concevoir des systèmes de communication et de navigation robustes, notamment en environnement bruyant.

2.5 Signaux pairs et impairs

• Signaux pairs : Symétriques par rapport à l’axe vertical (f(t) = f(–t)); exemple : onde cosinus.
• Signaux impairs : Antisymétriques par rapport à l’origine (f(t) = –f(–t)); exemple : onde sinus.

Tout signal peut être décomposé en composantes paire et impaire pour l’analyse.

3. Caractéristiques clés d’un signal

3.1 Amplitude

L’amplitude est la valeur absolue maximale d’un signal, généralement référencée à zéro. Elle représente la force ou l’intensité du signal – mesurée en volts pour les signaux de tension, en ampères pour le courant, etc.

3.2 Fréquence

La fréquence (f) est le nombre de cycles qu’un signal périodique effectue par seconde (Hz). La fréquence détermine l’allocation des canaux en communication, le filtrage et la sensibilité aux interférences.

3.3 Période

La période (T) est la durée d’un cycle (secondes). Fréquence et période sont inverses (f = 1/T).

3.4 Phase

La phase (ϕ) décrit le décalage temporel relatif d’un signal dans son cycle, exprimé en degrés ou en radians. La phase est cruciale dans les applications comme la modulation, la synchronisation et les réseaux phasés.

3.5 Valeur efficace (RMS)

La valeur efficace (RMS) quantifie la valeur utile d’un signal variable, particulièrement importante pour les calculs de puissance dans les circuits à courant alternatif.

3.6 Puissance

La puissance est le taux de transfert d’énergie, souvent calculée comme ( P = (V_{rms})^2 / R ) pour des charges résistives. La puissance du signal doit être suffisante pour surmonter le bruit et les pertes, mais rester dans les limites réglementaires afin d’éviter les interférences.

4. Opérations sur les signaux

4.1 Amplification

L’amplification augmente l’amplitude d’un signal à l’aide d’amplificateurs électroniques. Elle est essentielle pour renforcer les signaux faibles provenant de capteurs ou sur de longues distances de transmission.

4.2 Atténuation

L’atténuation est la réduction de l’amplitude du signal due aux pertes dans les câbles, composants ou supports. Elle se mesure généralement en décibels (dB).

4.3 Modulation

La modulation consiste à faire varier l’amplitude, la fréquence ou la phase d’un signal porteur pour encoder de l’information – permettant une transmission et un multiplexage efficaces. Exemples : AM, FM, modulation numérique (QAM, PSK).

4.4 Codage et décodage

Le codage convertit l’information en un format de signal adapté à la transmission ou au stockage (ex. codes binaires, correction d’erreurs). Le décodage inverse ce processus à la réception.

5. Traitement du signal

5.1 Traitement analogique du signal

Manipulation des signaux à temps continu à l’aide de circuits analogiques – amplificateurs, filtres, mélangeurs, etc. Toujours important pour les interfaces de capteurs et systèmes anciens.

5.2 Traitement numérique du signal (DSP)

La conversion des signaux analogiques en forme numérique (via échantillonnage et quantification) permet un traitement algorithmique – filtrage, compression, extraction de caractéristiques, etc. Le DSP est à la base de l’avionique moderne, des télécommunications, du radar et de la surveillance.

Concepts clés du DSP

• Échantillonnage : Mesure du signal à intervalles réguliers (fréquence d’échantillonnage).
• Quantification : Arrondi des amplitudes échantillonnées à des valeurs discrètes.
• Filtrage : Suppression des composantes fréquentielles indésirables.
• Compression : Réduction de la taille des données pour le stockage ou la transmission.

6. Applications concrètes

• Avionique : Transmission de données de capteurs, de la voix, de signaux de navigation et de contrôle dans les aéronefs.
• Télécommunications : Transport de la voix, de la vidéo et des données sur des réseaux filaires/sans fil.
• Contrôle industriel : Capteurs et actionneurs communiquant états et commandes.
• Électronique grand public : Signaux audio, vidéo et interfaces utilisateur dans les appareils.

7. Normes et fiabilité

Des normes internationales (ex. UIT, OACI, RTCA DO-160) définissent les exigences en matière d’intégrité du signal, de puissance, de modulation et de correction d’erreurs, assurant une exploitation sûre et fiable dans les systèmes critiques. Les ingénieurs choisissent le type de signal et les méthodes de traitement en fonction du bruit, de la bande passante, des limites réglementaires et des besoins de l’application.

8. Résumé

Un signal est le langage de l’électronique – une grandeur variable dans le temps qui véhicule l’information permettant le fonctionnement des systèmes complexes. Qu’il soit analogique ou numérique, continu ou discret, chaque signal doit être soigneusement généré, transmis, traité et interprété pour que les systèmes fonctionnent de manière fiable et efficace.

Pour en savoir plus sur les signaux et les bonnes pratiques en communication et traitement du signal, contactez notre équipe ou planifiez une démonstration dès aujourd’hui !