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Analogique et Numérique

Comparaison

Conversion

Intérêt

Les toutes premières bases pour comprendre le procédé.

Approche

Un signal qui se développe dans le temps peut être soit analogique soit numérique. Les ordinateurs fonctionnent depuis leur origine en numérique (anglais: digital). La radio et la télévision fonctionnent en analogique (anglais: analog). Le numérique les gagne progressivement. D'abord la télé, et la radio suivra certainement un jour. Le signal analogique est sensible aux bruits parasites alors que le signal numérique l'est beaucoup moins. De plus, avec quelques informations volontairement ajoutées, l'intégrité du signal numérique est vérifiée et des corrections apportées si nécessaire (code auto-correcteur d'erreurs). Le numérique se prête également à de nombreuses possibilités de traitement dont l'une, non des moindres, est son aptitude à être compressé. Le passage au numérique semnle presque toujours souhaitable. Cependant, la technologie doit être au rendez-vous et, la décision sera prise en fonction du coût de l'opération. Note personnelle: jeune ingénieur électronicien en fin des années 60, j'ai participé au basculement des techniques analogiques vers celles numériques pour la réalisation des simulateurs d'entraînement.

Signal Numérique (digital, binaire, discret)

C'est un signal dont l'amplitude peut prendre seulement deux valeurs: en informatique on note 0 ou 1; en électronique on donne les deux tensions (0 volt et 5 volts, par exemple). Le signal est constitué de signaux élémentaires correspondants à tranches de temps égales. Le signal suit une cadence imposée par une horloge qui joue le rôle de métronome. Chaque morceau de signal est en fait un élément du signal binaire ou bit. Tous les ordinateurs, microprocesseurs, et autres appareils numériques fonctionnent en utilisant de tels signaux numériques. Le Morse est un signal numérique particulier.

Signal analogique

C'est un signal dont l'amplitude peut prendre toutes les valeurs entre un minimum et un maximum (disons: – 10 volts à + 10volts, par exemple). Ce signal est continu avec le temps: on peut le dessiner d'un trait de crayon se déplaçant verticalement (axe des y) sur une feuille de papier avançant régulièrement horizontalement (axe des x). Le signal à la sortie d'un microphone ou à la sortie de la pointe d'un tourne-disque est un signal analogique. Les fichiers .WAV des ordinateurs représentent des signaux analogiques. Les fichiers mp3, eux, code la musique en numérique.

Conversion analogique-numérique (on dit aussi analogique-digital)

Plusieurs étapes sont nécessaires: l'échantillonnage, puis la conversion elle-même, appelé codage. Échantillonnage Cette étape consiste à hacher le signal analogique en petites tranches temporelles selon une période bien définie par une horloge. L'amplitude (A) du signal au moment du top de l'horloge est prise comme référence pour cette tranche. C'est cette valeur qui sera codée. Si le signal est échantillonné à une fréquence de 100 Hertz (exemple), chaque tranche de temps, appelée période, est égale à 1/100 = 0,01 seconde, soit 10 millisecondes. La fréquence d'échantillonnage (sampling rate) doit être suffisamment grande pour restituer intégralement le signal. Le théorème de Nyquist-Shannon dit que, pour respecter le signal-source, cette fréquence doit être au moins le double de celle de la plus grande fréquence possible dans le signal à échantillonner. Codage Cette étape consiste à peser l'amplitude A du signal en termes d'amplitudes élémentaires, chacune correspondant à un poids binaire (4, 2, 1). Autrement-dit, on opère une conversion du nombre décimal en volts (Adécimal = 7 volts) en un mot binaire (Abinaire = 0111).

Bilan

Le signal analogique est transformé en une suite de mots binaires. Ici: 100, 110, 111, 110, …

Dans le cas d'une transmission, au lieu de transmettre un signal continu, le système devra transmettre une suite de mots binaires selon un format adapté, un protocole.

Protocole: ensemble de règles permettant à deux ou plusieurs ordinateurs d'un réseau de communiquer entre eux. Internet utilise, entre autres, les protocoles TCP et IP afin de permettre la transmission d'informations d'une machine à une autre.

Méthode de codage

Une méthode classique pour réaliser ce codage consiste à comparer le niveau du signal à coder avec un signal de référence qui évolue à toute vitesse du min. au max. Lorsque l'égalité est atteinte, on note la valeur d'un compteur numérique qui évolue en synchronisme avec le signal de référence*. Il s'agit du convertisseur à rampe par allusion à la rampe de tension engendrant le signal de référence.
* Il s'agit généralement du signal provenant de la conversion numérique-analogique des bits du compteur.

Précision

La qualité du signal numérisé dépend notamment de:

la fréquence d'échantillonnage, et

la quantité de bits utilisée pour coder chaque échantillon.

Par exemple sur une amplitude de – 10 à + 10 volts avec un codage sur 10 bits plus le signe, nous aurons:

10 volts codé avec 1 024 pas (2¹⁰), soit 10 mV pour chaque pas (10 000 / 1024 = 9,76… plus exactement).

Le dernier bit, le bit de poids faible (least significant bit: LSB) pèse 10 mV.

Le suivant 20 mV, puis 40, 80, etc.

Abréviations

CAN: convertisseur analogique-numérique,

Convertisseur A/D (analogique-digital), ou

ADC pour Analog to Digital Converter.

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Voir	Bases de numération Électronique – Bases Électronique – Histoire Transformée de Fourier Nombres – Glossaire