Systèmes électroniques de traitement et de communication

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Systèmes électroniques detraitement et de communication

Le monde merveilleuxde l’électronique

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Thierry BRU ([email protected])Bureau I 123

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I. Définitions, généralités

L’électronique est une science de l’ingénieur quiétudie et conçoit les structures effectuant destraitements de signaux électriques (courants oude tensions), porteurs d’information ou d’énergie.

Dans cette définition la notion de l’information estconsidérée dans un sens large : elle désigne toutegrandeur, physique ( telle la température, le son oula vitesse), ou abstraite, telle une image, un code,...) qui peut évoluer en temps réel selon une loiinconnue à l’avance.

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I. Définitions, généralitésExemples de signaux : signal sinusoïdal

0 0.001 0.002 0.003 0.004 0.005 0.006 0.007 0.008 0.009 0.01-3

-2

-1

0

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I. Définitions, généralitésSignal analogique sinusoïdal

Ce qui a été représenté est un signalsinusoïdal causal (nul pour t < 0), soitsin(t).h(t)

Le signal sinusoïdal ou signal harmoniquesint ne contient aucune information

Pourtant, il est très utilisé en laboratoire etdans les études théoriques. Pourquoi ?

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I. Définitions, généralitésExemples de signaux : signal FSK

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II. Définitions, généralitésExemples de signaux

Electrocardiogramme (ECG)

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II. Définitions, généralitésExemples de signaux : « I Waited for you »

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II. Définitions, généralitésExemples de signaux

« I Waited for you » + signal sinusoïdal 1 kHz « I Waited for you » + bruit blanc Spectre de « I Waited for you » + bruit blanc ?

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II. Un peu d’histoire

On date généralement les débuts des applicationsde l'électronique à l'invention du tubeélectronique en 1904 John Ambrose Fleming (diodeà vide), puis de la triode en 1906 par l’ingénieuraméricain Lee De Forest (qui a permis la réalisationdes amplificateurs nécessaires aux transmissionssans fil)

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I. Un peu d’histoire

L’électronique est une science de l’ingénieur quiétudie et conçoit les structures effectuant destraitements de signaux électriques (courants ou detensions), porteurs d’information ou d’énergie.

Dans cette définition la notion de l’information estconsidérée dans un sens large : elle désigne toutegrandeur, physique ( telle la température, le son oula vitesse), ou abstraite, telle une image, un code,...) qui peut évoluer en temps réel selon une loiinconnue à l’avance.

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Première industrie mondiale en volume d'activité devantl'automobile depuis 1990

La croissance de l'industrie électronique a trois origines :– Une technologie (la microélectronique) permettant d'intégrer

des fonctions électroniques de plus en plus complexes dans lamajeure partie des systèmes techniques (industriels,scientifiques, ...) et des objets de la vie courante ;

– une grande sophistication des produits existants, qui entraîneun renouvellement rapide des marchés ;

– l'apparition incessante de nouveaux marchés téléphonie mobile, de loin le plus grand facteur de croissance

du secteur des télécommunications avec Internet, etmaintenant les tablettes graphiques

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II. Un peu d’histoireExemple de nouveau marché pour l’industrie électronique

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Le développement de l'électronique a égalementpermis celui de la science et des techniques del’informatique :

– en permettant la réalisation de calculateurs de plus en plusrapides et complexes, à des coûts compatibles pour d'unelarge diffusion ;

– ce développement a en retour amélioré les moyensdisponibles pour le développement de l'électronique elle-même (logiciels de simulation de circuits, méthode detraitement de signal sophistiquées,...)

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À l'origine et au cœur de l'explosion de l'industrie électroniquese situent bien sûr la microélectronique (étude et fabricationde composants électroniques à l'échelle micronique) et lanumérisation de l'information, des signaux et des images.

Le prix Nobel 2000 de physique a récompensé, entre autres,l'Américain Jack Kilby pour l'invention du circuit intégré en1958.

Le circuit intégré (CI), aussi appelé puce électronique, est uncomposant électronique réalisant une ou plusieurs fonctionsélectroniques plus ou moins complexes et intégrant souventplusieurs types de dispositifs électroniques de base dans unvolume réduit.

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II. Un peu d’histoireTrois moteurs : le transistor, le circuit intégré, le microprocesseur

Le transistor, un interrupteur quasi parfait (1947-1960)

– L'idée d'interrupteur (relais électrique) solide commandé parune tension électrique appliquée remonte au début duXXe siècle (FET ou TEC)

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Le transistor, un interrupteur quasi parfait (1947-1960)

– Transistor à jonctions ou bipolaire (Shockley, 1952)

– C’est le transistor à effet de champ (TEC ou FET) quiest aujourd’hui le plus utilisé dans sa version MOS (MetalOxyd Semiconductor), à cause de la simplicité de sastructure qui permet d’atteinde de très grandes densitésd’intégration et de très faibles consommations(structure CMOS).

– Dans les circuits intégrés numériques, le MOSFET estpresque toujours utilisé par paires (canal N + canal P) dansune structure appelée CMOS (Complementary MOS).

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Le transistor : inverseur CMOSVdd = 5 V

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1210

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Ve Vs

S

S

D

D

G

G

PMOS

NMOS

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Caractéristique de transfert statique d’un inverseur CMOS

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Le circuit intégré (1958 – 1959)– Quelques visionnaires proposent alors de fabriquer tous

les composants électroniques avec un seul matériau, lesemiconducteur, qui servirait aussi de support, d'où leterme de circuit intégré « monolithique » (une seulepierre).

– Encombrement, consommation, coût – Complexité, fiabilité – Au départ, on intègre tous les composants classiques de

l’électronique (résistances, capacités, diodes, transistors)– On supprime autant que possible les résistances en les

remplaçant par des transistors ou des capacités (TTL ouTransistor Transistor Logic).

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Le circuit intégré (1958 – 1959)

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Le microprocesseur (1971)– La société japonaise Busicom avait demandé à la firme

américaine Intel de concevoir des puces permettant deréaliser un calculateur programmable destiné auxcalculettes, machines de bureau et caissesenregistreuses.

– On s'est rendu compte qu'il était possible de mettrel'essentiel des fonctions nécessaires sur une seule pucepouvant, par programmation, effectuer non seulement lesfonctions demandées, mais aussi des tâches de calcullogique pour de nombreuses autres applications.

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Le microprocesseur (1971)

– 4004 d’INTEL (2250 Transistors Bip

108 KHz, 4bits, 604 mots ad.)

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L'augmentation du nombre de transistors sur une même puce apermis d'obtenir de plus en plus de mémoire et de capacitélogique par microprocesseur

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Le microprocesseur (1973)– En y intégrant aussi des composants d'entrée/sortie, des

systèmes complets, appelés micro-contrôleurs, sontélaborés.

– Enfin, la réalisation de l'ensemble des fonctions d'uneapplication donnée, par exemple les capteurs d'image pourla photographie numérique ou les fonctionshyperfréquences pour le téléphone portable, permetd'obtenir un système sur puce ou SoC (system on chip).

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Microcontrôleur générique

Small CPU Core8-16 Bits

2-32 MHz2-16 Registers

FlashEEROM

2KB – 256KB

RAM256B – 16KB

GPIO

ADC8-14 Bits

Timer16-32 Bit

RS232/USB

I2C/SPIMemory Bus

16-24 Bits

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Un microcontrôleur particulier : le PSoC– Les circuits PSoC ont été conçus pour remplacer à la fois

le microcontrôleur et les circuits périphériques d'unsystème embarqué. Ils contiennent des blocs analogiqueset numériques configurables permettant d'intégrer, entreautres : des convertisseurs analogique/numérique et

numérique/analogique ; des amplificateurs opérationnels et des

amplificateurs d'instrumentation, des filtres et descomparateurs programmables ;

– Site Internet créé par Télécom Saint-Etienne et dédié aux PSoCs :http://psoczone.com/

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PSoC Cypress

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Un microcontrôleur particulier : le PSoC

– Sera utilisé en T.P pour illustrer les fonctionsélectroniques vues en cours.

– Une carte électronique PSoC et un oscilloscopeUSB seront prêtés à chaque binôme pour ladurée de l’année. Ce matériel permet depréparer et faire soi-même la totalité des TP,avec juste en plus un PC sur lequel le logiciel dedéveloppement (gratuit) doit être installé ; il seraégalement utilisé dans les projets du 2nd semestre

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I. Un peu d’histoireTrois moteurs : le transistor, le circuit intégré, le microprocesseur

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III. Systèmes embarqués

Les systèmes embarqués sont des entitésautonomes qui remplissent une missionindépendante, sans intervention humaine eten général en interaction directe avecl’environnement extérieur, que celui-ci soitphysique ou informatique.

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Ils peuvent être vus comme des ordinateursenfouis dans les équipements électroniques duquotidien (téléphones, voitures, avions, satellites,engins industriels, cafetière programmable, …).

Ils sont souvent développés pour une applicationparticulière et sont soumis à des contraintesfortes : faible consommation, capacité mémoireréduite, temps-réel, communication, etc.

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Ils intègrent la plupart du temps à la fois unepartie matérielle ou hardware (les circuits)et une partie logicielle ou software (lesprogrammes).

La frontière entre le matériel et le logicielest de plus en plus floue.

Le logiciel prend une place de plus en plusimportante dans les systèmes embarqués.

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Pour exécuter ce logiciel, ces systèmesdoivent donc embarquer unmicroprocesseur ou un microcontrôleur.

Les processeurs, de plus en plus rapides,puissants et bon marché ont permis cetterévolution.

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Plus de 95 % des microprocesseurs etmicrocontrôleurs qui sont utilisés chaqueannée sont intégrés dans des systèmesembarqués (et pas dans des ordinateurs).

Ce n'est donc pas le marché del'informatique qui constitue leur principaldébouché.

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III. Systèmes embarqués communicants

Les systèmes embarqués sont aujourd'hui de plusen plus fortement communicants.

Ce n'est en fait que l'aboutissement du contrôle àdistance d'un système électronique par desliaisons de tout type : liaisons RS232, RS485, busI2C ou SPI, …

Il faut aussi noter la montée en puissance descommunications sans fil dans l'embarqué : Wifi,Bluetooth , Zigbee (réseaux de capteurs sans fil).

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III. Systèmes embarqués communicants

Les systèmes embarqués communicantssans fil sont omniprésents dans notreenvironnement.

– Téléviseurs, cadres photos, lecteurs DVD,tablette tactile type iPad

On parle alors d’informatique (etd’électronique) diffuse ou pervasive(ubiquitous en anglais).

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III. Systèmes embarqués communicantsElectronique / informatique pervasive

L'informatique pervasive fait référence à latendance à l'informatisation, la connexionen réseau, la miniaturisation desdispositifs électroniques et leurintégration dans tout objet du quotidien,favorisant ainsi l'accès aux informationspartout et à tout moment (du latin per-vadere : se répandre partout) .

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Cette omniprésence de l'informatique et del'électronique est rendue possible grâce àl'utilisation de processeurs minusculescommuniquant spontanément les uns avecles autres et de petits capteurs qui, grâce àleurs dimensions très réduites, serontintégrés dans les objets de la viequotidienne, presque invisibles pour lesutilisateurs.

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Grâce à ces petits capteurs, les processeursembarqués peuvent détecter leur entourage etfournir aux objets dans lesquels ils sont intégrésdes capacités de communication et de traitementd'information.

Cela ajoute une toute nouvelle dimension aux objetspermettant, par exemple, d'interagir avec d'autresobjets voisins ou lointains et de garder unhistorique de leur vie.

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L’internet des objets

– Grâce au nouveau standard d’adressageInternet IPV6 (permettant d’identifier surInternet d’envoyer un nombre quasi-illimité dedispositifs), tous ces objets seront connectés àInternet, à ses serveurs et bases de données.

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Objectif : multiplier par 1000 le nombre decapteurs environnementaux dans la ville eten faisant participer les citoyens à la mesureenvironnementale, les associer d’unemanière directe à la construction d’une villedurable.

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La montre verte est d’abord un dispositifpersonnel communicant équipé de deuxcapteurs environnementaux (ozone, bruit)d’une puce GPS et d’une puce Bluetooth.

L’appareil a la forme d’une montre que sonporteur emmène avec lui dans la ville,capturant et stockant des mesures qui sontensuite publiées sur le réseau.

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Le dispositif est complété par un téléphonemobile, sur lequel une application javaembarquée permet de visualiser les niveauxde bruit et d’ozone mesurés par la montreverte et de transmettre à intervalles réguliersces mêmes données à une plate-formeouverte, Citypulse, qui reçoit, stocke et renddisponibles les données de mesure.

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IV. Type de signaux

Un signal électronique est en général une tensionélectrique, un courant, mais ce peut être égalementun champ électrique ou magnétique.

Traditionnellement, les signaux sont classés en 3grands types:

– signal analogique

– signal numérique

– signal de puissance

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IV. Type de signaux

Il est d'usage de décomposer un signal en deux composantes :signal = signal utile + bruit

Le signal utile est la partie du signal contenant l'informationrecherchée, le bruit correspond à toutes les perturbationsmodifiant cette partie utile. Ce découpage est donc arbitraire etlié à l'usage souhaité.

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IV. Type de signauxBruit

Le bruit qui affecte le signal en sortie d’unechaîne de traitement a deux causes biendistinctes :– une cause extérieure à la chaîne : c’est le bruit

qui affecte déjà le signal à l’entrée de la chaîneet qui est amplifié et filtré avec le signal la tête de lecture du tourne-disque qui capte la musique

inscrite dans le sillon mais aussi les bruits de surface,les vibrations de la platine et les déchargesélectrostatiques.

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IV. Type de signauxBruit

– une cause intérieure : l’agitation thermique desélectrons provoque des fluctuations aléatoires dela tension en tout point d’un circuit. C’est le bruitthermique qui est un bruit blanc et qui existetoujours. On peut le diminuer en choisissant descomposants à faible bruit mais on n’arriverajamais à le supprimer.

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IV. Type de signauxSignaux et électronique analogiques

L’électronique analogique s’intéresse autraitement continu des signauxanalogiques, c’est-à-dire de ceux définis àchaque instant (à temps continu) et évoluantd’une façon continue dans le temps.

La plupart des systèmes physiques sontanalogiques, car les grandeurs physiquesévoluent le plus souvent d’une façoncontinue (par exemple, la température).

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Le domaine de l'analogique est traditionnellementdivisé en plusieurs sous-domaines :

– L'instrumentation– Les audio fréquences (en lien avec l'électroacoustique)– Les radiofréquences– Les hyperfréquences (encore appelées fréquences radar ou

hautes fréquences)– La production et la propagation des ondes

électromagnétiques– La vidéo– Le traitement du signal analogique– Le codage du signal, ...

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Les systèmes électroniques analogiques nepermettent ni de stocker l'information, nid'effectuer des traitements complexes àfaible coût.

C'est pourquoi le traitement numérique dusignal remplace très souvent lestraitements analogiques, bien qu'iloccasionne un délai de traitement.

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III. Type de signauxSignaux et électronique numériques

Cependant, il ne faut pas oublier que comme lesvaleurs discrètes n’existent pas physiquement, desphénomènes d’électronique analogique peuventsurvenir dans les circuits numériques, notammentdans les hautes fréquences.

De plus certaines fonctions comme la mesure oul'amplification sont intrinsèquement analogiques etne pourront jamais devenir numériques.

Les capteurs sont en très grande majoritéanalogiques.

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IV. Type de signauxSignaux et électronique numériques

L’électronique numérique s’intéresse autraitement des signaux définis seulement à desinstants discrets et dont l’espace de valeurs estdiscret (quantification, le nombre de valeurspossibles est limité).

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III. Type de signauxSignaux et électronique numériques

Ces valeurs sont codées par des nombres binaires.

Dans le cas le plus simple, un signal numérique nepeut prendre que deux valeurs : 1 et 0 ; on parlealors de signal logique ou binaire.

L’électronique numérique est utilisée enparticulier dans les systèmes contenant unmicroprocesseur ou un microcontrôleur. Parexemple, un ordinateur est un appareil constituéen majeure partie par de l’électronique numérique.

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0 0.001 0.002 0.003 0.004 0.005 0.006 0.007 0.008 0.009 0.01-3

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0

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Les signaux numériques étant égalementdes signaux discrets en temps, on utilise engénéral un oscillateur à quartz (horloge) demanière à synchroniser les différentesparties d'un circuit entre elles.

On appelle les circuits régis par une horlogedes circuits synchrones.

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IV. Type de signauxSignaux et électronique mixtes

Il s’agit de systèmes dans lesquels coexistent dessignaux numériques et analogiques.

Les modules particuliers à cette discipline sont leconvertisseur analogique-numérique (CAN) et leconvertisseur numérique-analogique (CNA).

– Ils permettent de transformer un signal analogique en signalnumérique et vice versa, en réalisant ainsi une interfaceentre les modules purement analogiques (comme lescapteurs) et purement numériques.

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III. Type de signauxSignaux et électronique mixtes

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Par exemple, un thermomètre à affichage numériqueprélève la température à l’aide d’un capteur(analogique), amplifie / filtre cette valeur, la code enune séquence numérique et puis l’affiche sur unécran.

– Les deux premières opérations sont effectuées par desmodules de l’électronique analogique,

– la troisième nécessite une conversion analogique-numérique

– et la dernière relève d’un traitement numérique.

Comme cet exemple, la plupart des systèmesélectroniques sont mixtes.

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V. Présentation d’un système type

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V. Présentation d’un système typeLe sonotone ou audiphone

The addiction of nowadays youngsters tomusic, played at very high loudness levels,makes the future for manufacturers ofhearing instruments look very bright.

At present about 12% of the humanpopulation suffers from hearing problems.

About 18% of those are suffering relevantperceptual loss, from which a few percentactually use hearing instruments.

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Les fonctions de base assurées par unsystème d’aide à l’audition sont :

– L’amplification ;

– Le filtrage ;

– La limitation du niveau de sortie

Ces différentes opérations peuvent êtreréalisées de façon analogique ou de façonnumérique

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Analog (the first to exist)

– The earliest analog hearing aids simply amplifiedboth speech and noise, and were ordered aftertesting to determine the particular frequencyresponse needed by the patient.

– Newer analog hearing aids can be programmedduring the fitting process, and some have multiplelistening profiles that the patient can select with abutton on the hearing aid.

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V. Présentation d’un système typeSonotone amplificateur analogique (pub !)

Grâce à leur capacité de différencier la parole des bruitsambiants ces aides auditives sont performantes dans lessituations habituellement vécues par une personne active.

Très léger, il est équipé d'une molette de réglage.

Effet non thérapeutique.

4 Niveaux de volume

Alimenté par une pile AG13 (2 incluses)

Compatible gain de 130 +/- 5dB

Sensibilité >= 50dB

Fréquence de réponse: 300Hz ~ 4000Hz

Prix : 17,63 € TTC

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Digital

– Digital hearing aids are also programmable during the fittingprocess and have multiple listening profiles that areselectable by the patient.

– The digitization of sound allows more advanced signalprocessing such as noise reduction, filtering, andacoustic feedback (ringing) control.

– The vast majority of hearing aids sold today are digitalbecause of their increased performance and flexibility overthe analog versions.

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V. Présentation d’un système typeSchéma fonctionnel

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V. Présentation d’un système typeTransducteurs

On les trouve aux 2 extrémités de la chaîne detraitement.

Leur rôle est de transformer une grandeur physiqueassociée à une énergie en un autre type degrandeur physique et d’énergie.

Les capteurs convertissent les grandeurs physiquesen grandeurs électriques.

Les actionneurs effectuent l’opération inverse.

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Dans notre cas, nous avons :

– Des capteurs d’entrées constitués par 2microphones qui fournissent un signal analogiquede quelques mV d’amplitude sous plusieurscentaines d’ohms d’impédance interne

– Un actionneur de sortie constitué par un haut-parleur

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Capteurs et actionneurs dans les applications embarquées

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V. Présentation d’un système typeAmplification en tension

Le signal (tension) fourni par les microphones esttrop faible pour être converti directement en unegrandeur numérique.

Il doit être préalablement amplifié. Il s’agitprincipalement d’une amplification en tension(préamplification, mic preamp sur le schéma-bloc)

La fonction « Amplification » est la première quenous étudierons dans la suite du cours.

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V. Présentation d’un système typeAmplification en tension

Microphone préamplifié

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IV. Présentation d’un système typeAmplification en tension

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V. Présentation d’un système typeAmplification en puissance

Après traitement par le processeur (DSP surle schéma, pour Digital Signal Processor) etre-conversion en une grandeur analogique,la puissance du signal électrique n’est passuffisante pour qu’il attaque directement lehaut-parleur.

Il doit être préalablement amplifié enpuissance (speaker amplifier sur le schéma)

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V. Présentation d’un système typeAmplification en puissance (classe D)

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V. Présentation d’un système typeCA/N et CN/A

Dans le bloc appelé Audio Codec, figurent(entre autres) :

– Un (deux) CA/N ;

– Un CNA

Ces dispositifs seront étudiés en cours dansle chapitre « Entrées-Sorties analogiques »

Hors amplification, la chaîne de traitementpeut être représentée comme suit.

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On note la présence de 2 filtresanalogiques, respectivement en amont duCAN et en aval du CNA :

– Filtre anti-repliement en entrée

– Filtre de de lissage en sortie

Ils seront étudiés en même temps que lesconvertisseurs

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V. Présentation d’un système typeGestion de l’énergie

On note également la part importantedonnée à la gestion de l’énergie (batterymanagement, power management), qui joueun rôle fondamental dans les systèmesembarqués.

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V. Présentation d’un système typeTraitements proprement dits : filtrage

Ils sont réalisés par programme, par leprocesseur de traitement de signal.

Il peut s’agir de simples filtrages linéaires,destinés à accentuer certaines fréquencespar rapport à d’autres, en fonction desdéficiences de l’oreille du patient.

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Les intérêts de réaliser ces opérations sousforme numérique sont multiples :

– Il n’est pas difficile de réaliser un filtre numériqueavec une pente asymptotique très élevée (e.g.,plus de 1000 dB/octave), ce qui serait quasi-imposssible avec des composants analogiques.

– Le filtre numérique peut-être reprogrammé pourobtenir des caractéristiques très variées sans rienavoir à changer dans le matériel (hardware).

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– L’algorithme de filtrage peut même s’auto-modifier en fonction du contexte (filtre auto-adaptatif)

– Enfin le processeur peut prendre en charge lagestion de l’énergie (extinction automatique), ledialogue homme-machine, …

La « fonction filtrage » (tant analogiqueque numérique) sera étudiée dans unchapitre spécifique

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V. Présentation d’un système typeFonctionnalités supplémentaires

There are many features available for today'shearing aids, including volume control, remotecontrol, telecoil, direct, audio input, FM reception,Bluetooth® capabilities, directional microphone,compression, clipping, frequency shifting, wind-noisemanagement, data logging, self-learning

An emerging trend is to include Bluetooth capabilityto receive sound from a cell phone or music player.

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V. Présentation d’un système typeFonctionnalités supplémentaires

Frequency shifting uses digital signalprocessing to shift speech to a lowerfrequency, which is helpful for people withhigh-frequency hearing loss.

Wind-noise management detects wind andeliminates the feedback that would otherwisecause ringing sounds to be heard by thehearing aid wearer.

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Systèmes électroniques de traitement et de communication