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Définition et synonyme de : SIGNAL /BRUIT, sciences

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Article publié par Encyclopaedia Universalis SIGNAL /BRUIT, sciences La théorie du signal est un chapitre de la théorie de la communication écrit principalement par les électroniciens. Les notions statistiques associées à la quantité d'information transportée y côtoient les problèmes physiques liés à la réalisation pratique de la transmission à longue distance. La notion antinomique de bruit lui est souvent associée, le rapport signal /bruit caractérisant le degré d'intelligibilité d'une communication. Si la communication est la transmission de messages d'information, le signal est une grandeur physique quelconque qui la rend techniquement possible. Il est, le plus souvent, de nature acoustique, optique ou électrique et permet la relation orientée d'une source à un destinataire à travers un canal. Un coup de sifflet, l'allumage d'un feu ou la position des bras d'un sémaphore constituent des signaux intelligibles, mais, pour la vie moderne, l'importance des signaux d'origine électrique a imposé la nécessité d'une approche scientifique particulière, même si nombre des concepts développés dans ce cadre ont une portée plus générale. La théorie du signal fait alors abstraction de sa nature physique précise et étudie des modèles mathématiques qui le représentent et rendent compte de sa transformation par les systèmes de transmission. Ceux- ci interviennent d'abord par leur fonction de traitement du signal, en l'amplifiant, le modulant ou le détectant.
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SIGNAL /BRUIT, sciences

La théorie du signal est un chapitre de la théorie de la communication écrit principalement par les électroniciens. Les notions statistiques associées à la quantité d'information transportée y côtoient les problèmes physiques liés à la réalisation pratique de la transmission à longue distance. La notion antinomique de bruit lui est souvent associée, le rapport signal /bruit caractérisant le degré d'intelligibilité d'une communication.

Si la communication est la transmission de messages d'information, le signal est une grandeur physique quelconque qui la rend techniquement possible. Il est, le plus souvent, de nature acoustique, optique ou électrique et permet la relation orientée d'une source à un destinataire à travers un canal. Un coup de sifflet, l'allumage d'un feu ou la position des bras d'un sémaphore constituent des signaux intelligibles, mais, pour la vie moderne, l'importance des signaux d'origine électrique a imposé la nécessité d'une approche scientifique particulière, même si nombre des concepts développés dans ce cadre ont une portée plus générale. La théorie du signal fait alors abstraction de sa nature physique précise et étudie des modèles mathématiques qui le représentent et rendent compte de sa transformation par les systèmes de transmission. Ceux-ci interviennent d'abord par leur fonction de traitement du signal, en l'amplifiant, le modulant ou le détectant. Ils sont aussi la cause de détériorations indésirables en particulier par le bruit qu'ils engendrent.

On distingue les signaux analogiques des signaux numériques ; les premiers ont une caractéristique qui varie de façon continue, par exemple le courant engendré dans un microphone par la variation des ondes acoustiques produites par la voix ou un instrument de musique ; les seconds, au contraire, ne peuvent prendre qu'un nombre limité de valeurs discrètes. Parmi ceux-ci, les plus fréquemment utilisés sont les signaux binaires, représentés par une suite de 0 et de 1. L'échantillonnage d'un signal analogique est un processus qui lui associe un signal discret. Les signaux se classent suivant leurs niveaux, définis selon les cas comme leur amplitude maximale, leur énergie totale ou leur puissance moyenne. Dans la plupart des cas concrets, des signaux aléatoires, dans lesquels le rôle du hasard est primordial, se superposent aux signaux certains, habituellement porteurs d'information.

La théorie moderne du signal

Les deux précurseurs les plus importants du traitement scientifique des signaux sont deux ingénieurs de la compagnie Bell, Harry Nyquist et Ralph Hartley. Leurs travaux établissent les conditions nécessaires à la transmission de l'information par télégraphie. Nyquist obtient, en 1927, les conditions d'échantillonnage d'un signal analogique. Hartley établit la loi selon laquelle la quantité d'information transmissible est proportionnelle à la largeur de bande de fréquences et à la durée de la transmission. La publication, en 1948, de Théorie mathématique de la communication par Claude Shannon, ingénieur aux Bell Telephone Laboratories, marque la naissance de la théorie moderne du signal. Après avoir proposé un modèle schématique linéaire des systèmes de communication, Shannon considère qu'une source génère des mots composés d'un nombre fini de symboles, chacun d'entre eux étant transmis par l'intermédiaire d'un canal jusqu'à un récepteur. Chaque processus de transmission est alors assimilé à un processus aléatoire dont la loi de probabilité ne varie pas : l'information est ici exclusivement liée à la probabilité des signaux qui constituent un message, indépendamment de leur nature physique et de leur éventuelle signification. On ne s'intéresse qu'à l'information minimale que peut apporter le signal, à savoir qu'il s'est produit. Ainsi, la quantité d'information apportée par un événement est d'autant plus grande (quand il s'est produit) que sa probabilité était faible (avant qu'il se produise). Cela permet notamment d'utiliser les méthodes statistiques pour analyser les erreurs. Introduisant la notion de « bit », acronyme de binary digit (chiffre binaire) et unité fondamentale du traitement de l'information, Shannon montre comment corriger les erreurs de transmission en ajoutant à un message des bits supplémentaires. Ainsi, les messages contiennent une certaine redondance : des signes ou groupes de signes sont répétés ou ajoutés au nombre de signes nécessaire pour la communication de leur sens strict afin de ne pas perdre une partie de l'information. Il développe également la notion d'entropie d'information comme mesure de son caractère redondant. L'année suivante, Shannon fonde la théorie mathématique de la cryptographie par son article sur Théorie de la communication des systèmes secrets.

L'opération mathématique appelée transformée de Fourier associe à un signal dépendant du temps une fonction dont la variable est une fréquence. Le spectre du signal est alors le support de cette transformée, c'est-à-dire l'ensemble des fréquences pour lesquelles cette fonction n'est pas nulle. Ce spectre peut être continu ou discret ; les signaux périodiques ou presque périodiques ont un spectre discret ; on parle dans ce cas de signal à spectre de raies.

Les fonctions de modulation et démodulation des signaux sont essentielles à leur transmission à longue distance. Le principe est d'utiliser une onde électromagnétique de haute fréquence dont on modifie les caractéristiques afin de lui combiner, en général de façon non linéaire, le signal. On distingue la modulation d'amplitude de la modulation de fréquence (ou de phase), selon que le signal modifie l'amplitude ou la phase de l'onde porteuse. Étudiée dès 1922, mais longtemps considérée comme peu intéressante, la modulation de fréquence a été mise en œuvre à partir de 1946 et s'est révélée supérieure en particulier quant à la protection contre les bruits. Si le signal est sous la forme d'une suite discrète de signaux, la modulation par impulsions agit de façon intermittente sur l'onde porteuse. L'onde porteuse modulée est transmise par câbles ou rayonnée par une antenne avec une puissance convenable. La démodulation nécessaire au niveau du récepteur se nomme détection ou discrimination selon que la modulation initiale a concerné l'amplitude ou la fréquence. Elle utilise les techniques des tubes électroniques ou des semi-conducteurs.

La notion de bruit

En matière de transmission, la notion de bruit se rapporte à l'ensemble des signaux nuisibles qui se superposent au signal utile véhiculant l'information désirée et jugée utile. On distingue les bruits selon leur origine externe ou interne. Parmi les premiers, les parasites industriels dus au fonctionnement des divers appareils électriques s'ajoutent à ceux d'origine naturelle (orages, décharges atmosphériques, rayons cosmiques). Les bruits d'origine interne aux récepteurs apparaissent souvent sous la forme de souffle ou de ronflement. Ils sont liés aux fluctuations spontanées qui affectent les tensions et les courants dans les divers composants actifs ou passifs des circuits électroniques. Ces fluctuations s'expliquent par le fait que les phénomènes électriques sont dus à des charges élémentaires qui sont animées d'un mouvement aléatoire. On distingue : le bruit thermique, ou bruit Johnson, dû à l'agitation thermique des électrons dans les conducteurs qui augmente avec la température ; le bruit de grenaille, ou bruit Schottky, dû aux fluctuations de l'émission discrète des porteurs de charge dans les sources de courant électronique (diodes, transistors, tubes) ; le bruit de scintillation, ou « bruit en 1 /f », attribué à des inhomogénéités dans la réalisation des composants. Contrairement aux précédents qui étaient indépendants de la fréquence, il prédomine en basse fréquence, d'où son appellation. Important dans les tubes électroniques, il se manifeste également dans les transistors et dans les résistances à couche mince.

S'il est important de le réduire, il est illusoire de vouloir éliminer totalement le bruit qui accompagne les signaux. Les lois thermodynamiques précisent que la température d'un corps mesure le degré d'agitation de ses éléments, en pratique de ses électrons. Un tel mouvement s'accompagne d'un rayonnement caractéristique, régi par la loi de Planck sur le corps noir, qu'on doit considérer comme un bruit thermodynamique irréductible. Notons pour finir qu'un tel bruit peut être paradoxalement riche de signification. Ainsi, la découverte en 1965 par Arno Penzias et Robert Wilson du bruit électronique lié à l'existence du fond de rayonnement cosmique à 3 kelvins, trace fossile du rayonnement électromagnétique qui dominait l'Univers aux époques primordiales, permit de démontrer la pertinence de la théorie du big bang.

Auteur: Bernard PIRE
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