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Traitement du Signal
           Jean-Yves Tourneret(1)


(1) Université of Toulouse, ENSEEIHT-IRIT-TéSA
Thème 1 : Analyse et Synthèse de l’Information
                  jyt@n7.fr




                                 Cours Traitement du Signal, 2010 – p. 1/82
Bibliographie

J. Max et J.-L. Lacoume, Méthodes et techniques de
traitement du signal, Dunod, 5me édition, 2004.
Athanasios Papoulis and S. Unnikrishna Pillai, Probability,
Random Variable and Stochastic Processes, McGraw Hill
Higher Education, 4th edition, 2002.




                                    Cours Traitement du Signal, 2010 – p. 2/82
Plan du cours
Chapitre 1 : Corrélations et Spectres
   Transformée de Fourier
   Classes de signaux déterministes et aléatoires
   Propriétés de Rx (τ ) et de sx (f )
Chapitre 2 : Filtrage Linéaire
Chapitre 3 : Échantillonnage
Chapitre 4 : Traitements Non-linéaires
Chapitre 5 : Processus de Poisson
Chapitre 6 : Signaux des télécommunications


                                         Cours Traitement du Signal, 2010 – p. 3/82
Transformée de Fourier
Définitions
  Formule directe

              X(f ) =       x(t) exp (−j2πf t) dt
                        R

  Formule inverse

              x(t) =        X(f ) exp (j2πf t) df
                        R

Hypothèses
TF sur L1 ou L2



                                      Cours Traitement du Signal, 2010 – p. 4/82
Propriétés

Linéarité

              TF [ax(t) + by(t)] = aX(f ) + bY (f )

Parité      x(t) réelle paire ⇒ X(f ) réelle paire
Translation et Modulation

               TF [x(t − t0 )] = exp(−j2πf t0 )X(f )
               TF [x(t) exp(j2πf0 t)] = X(f − f0 )

Similitude
                                   1       f
                     TF [x(at)] =     X
                                  |a|      a


                                          Cours Traitement du Signal, 2010 – p. 5/82
Propriétés

Produits de Convolution

                  TF [x(t) ∗ y(t)] = X(f )Y (f )
                  TF [x(t)y(t)] = X(f ) ∗ Y (f )

Égalite de Parseval

                  x(t)y ∗ (t)dt =       X(f )Y ∗ (f )df
              R                     R

Conjugaison
                      TF [x∗ (t)] = X ∗ (−f )




                                            Cours Traitement du Signal, 2010 – p. 6/82
Distributions
Localisation

                x(t)δ(t − t0 ) = x(t0 )δ(t − t0 )

Produit de Convolution

                  x(t) ∗ δ(t − t0 ) = x(t − t0 )

Transformées de Fourier

TF [δ(t)] = 1, TF [1] = δ(f )
TF [δ(t − t0 )] = exp(−j2πf t0 ), TF [exp(j2πf0 t)] = δ(f − f0 )




                                        Cours Traitement du Signal, 2010 – p. 7/82
Plan du cours
Chapitre 1 : Corrélations et Spectres
   Transformée de Fourier
   Classes de signaux déterministes et aléatoires
   Propriétés de Rx (τ ) et de sx (f )
Chapitre 2 : Filtrage Linéaire
Chapitre 3 : Échantillonnage
Chapitre 4 : Traitements Non-linéaires
Chapitre 5 : Processus de Poisson
Chapitre 6 : Signaux des télécommunications


                                         Cours Traitement du Signal, 2010 – p. 8/82
Classes de signaux déterministes et aléatoires

    Classe 1 : signaux déterministes à énergie finie
    Classe 2 : signaux déterministes périodiques à
    puissance finie
    Classe 3 : signaux déterministes non périodiques à
    puissance finie
    Classe 4 : signaux aléatoires stationnaires




                                      Cours Traitement du Signal, 2010 – p. 9/82
Signaux déterministes à énergie finie

Définition E =      R
                     |x(t)|2 dt =    R
                                       |X(f )|2 df < ∞
Fonction d’autocorrélation

       Rx (τ ) =       x(t)x∗ (t − τ )dt = x(t), x(t − τ )
                   R

Fonction d’intercorrélation

      Rxy (τ ) =        x(t)y ∗ (t − τ )dt = x(t), y(t − τ )
                    R

Produit scalaire

                   x(t), y(t) =         x(t)y ∗ (t)dt
                                    R


                                           Cours Traitement du Signal, 2010 – p. 10/82
Densité spectrale d’énergie

Définition
                           sx (f ) = TF [Rx (τ )]
Propriété
                              sx (f ) = |X(f )|2
  Preuve

     sx (f ) =                x(t)x∗ (t − τ )dt exp(−j2πf τ )dτ
                  R       R

                 =                 x∗ (t − τ ) exp(−j2πf τ )dτ x(t)dt
                      R        R

                 =                 x∗ (u) exp [j2πf (u − t)] du x(t)dt
                      R        R
                       ∗
                 = X (f )X(f )
                                               Cours Traitement du Signal, 2010 – p. 11/82
Exemple

Fenêtre rectangulaire

                              1 si − T < t <
                                      2
                                                      T
                                                      2
         x(t) = ΠT (t) =
                              0 sinon

Fonction d’autocorrélation

                     Rx (τ ) = T ΛT (τ )

Densité spectrale d’énergie

            sx (f ) = T 2 sinc2 (πT f ) = |X(f )|2




                                      Cours Traitement du Signal, 2010 – p. 12/82
Signaux déterministes périodiques

                   1     T0 /2
Définition P =      T0    −T0 /2 |x(t)|2 dt   <∞
Fonction d’autocorrélation
                    T0 /2
             1
   Rx (τ ) =                    x(t)x∗ (t − τ )dt = x(t), x(t − τ )
             T0    −T0 /2

Fonction d’intercorrélation
                        T0 /2
              1
   Rxy (τ ) =                   x(t)y ∗ (t − τ )dt = x(t), y(t − τ )
              T0    −T0 /2

Produit scalaire
                                         T0 /2
                          1
             x(t), y(t) =                        x(t)y ∗ (t)dt
                          T0            −T0 /2
                                                 Cours Traitement du Signal, 2010 – p. 13/82
Densité spectrale de puissance

Définition
                          sx (f ) = TF [Rx (τ )]
Propriété
                     sx (f ) =         |ck |2 δ(f − kf0 )
                                 k∈Z

avec x(t) =         k∈Z ck   exp(j2πkf0 t).

  Preuve
                                                      T0 /2
                        ∗                 1
  Rx (τ ) =         ck cl exp (j2πlf0 τ )                     exp [j2π(k − l)f0 t] dt
                                          T0        −T0 /2
              k,l

              =         |ck |2 exp(j2πkf0 τ )
                    k
                                                    Cours Traitement du Signal, 2010 – p. 14/82
Exemple

Sinusoïde
                    x(t) = A cos(2πf0 t)
Fonction d’autocorrélation
                            A2
                  Rx (τ ) =    cos(2πf0 τ )
                            2
Densité spectrale de puissance

                      A2
            sx (f ) =    [δ(f − f0 ) + δ(f + f0 )]
                      4




                                     Cours Traitement du Signal, 2010 – p. 15/82
Signaux déterministes à puissance finie

                      1      T /2
 Définition P =    lim T      −T /2 |x(t)|2 dt   <∞
                 T →∞

 Fonction d’autocorrélation
                      T /2
                 1
   Rx (τ ) = lim             x(t)x∗ (t − τ )dt = x(t), x(t − τ )
            T →∞ T   −T /2

 Fonction d’intercorrélation
                      T /2
                 1
  Rxy (τ ) = lim             x(t)y ∗ (t − τ )dt = x(t), y(t − τ )
            T →∞ T   −T /2

 Produit scalaire
                                        T /2
                             1
            x(t), y(t) = lim                    x(t)y ∗ (t)dt
                        T →∞ T         −T /2
                                          Cours Traitement du Signal, 2010 – p. 16/82
Densité spectrale de puissance

Définition
                     sx (f ) = TF [Rx (τ )]
Propriété
                                1
                  sx (f ) = lim |XT (f )|2
                           T →∞ T
avec
                         T /2
            XT (f ) =           x(t) exp(−j2πf t)dt
                        −T /2

Exemple

            x(t) = A1 cos(2πf1 t) + A2 cos(2πf2 t)

avec f1 et f2 non commensurables.

                                       Cours Traitement du Signal, 2010 – p. 17/82
Signaux aléatoires stationnaires

      Définition
        Moyenne : E[x(t)] indépendant de t
        Moment d’ordre 2 : E[x(t)x∗ (t − τ )] indépendant de t
      Fonction d’autocorrélation

                   Rx (τ ) = E[x(t)x∗ (t − τ )] = x(t), x(t − τ )

      Fonction d’intercorrélation

                         E[x(t)y ∗ (t − τ )] = x(t), y(t − τ )

      Produit scalaire
                                 x(t), y(t) = E[x(t)y ∗ (t)]

Remarques : stationnarité au sens strict, large, à l’ordre deux, tests de stationnarité.

                                                            Cours Traitement du Signal, 2010 – p. 18/82
Densité spectrale de puissance

Puissance moyenne

           P = Rx (0) = E |x(t)|2 =           sx (f )df
                                          R

Densité spectrale de puissance
  Définition
                    sx (f ) = TF [Rx (τ )]
   Propriété
                               1
                 sx (f ) = lim E |XT (f )|2
                          T →∞ T

   mais en général X(f ) n’existe pas !

                                     Cours Traitement du Signal, 2010 – p. 19/82
Exemples

Exemple 1 : Sinusoïde

                 x(t) = A cos(2πf0 t + θ)

θ va uniforme sur [0, 2π].
   Fonction d’autocorrélation
                             A2
                   Rx (τ ) =    cos(2πf0 τ )
                             2
   Densité spectrale de puissance

                       A2
             sx (f ) =    [δ(f − f0 ) + δ(f + f0 )]
                       4


                                    Cours Traitement du Signal, 2010 – p. 20/82
Exemples

Exemple 2 : Bruit blanc
  Fonction d’autocorrélation
                              N0
                    Rx (τ ) =    δ(τ )
                              2
  Densité spectrale de puissance
                                 N0
                       sx (f ) =
                                 2




                                 Cours Traitement du Signal, 2010 – p. 21/82
Plan du cours
Chapitre 1 : Corrélations et Spectres
   Transformée de Fourier
   Classes de signaux déterministes et aléatoires
   Propriétés de Rx (τ ) et de sx (f )
Chapitre 2 : Filtrage Linéaire
Chapitre 3 : Échantillonnage
Chapitre 4 : Traitements Non-linéaires
Chapitre 5 : Processus de Poisson
Chapitre 6 : Signaux des télécommunications


                                         Cours Traitement du Signal, 2010 – p. 22/82
Propriétés de Rx(τ )
                        ∗
Symétrie Hermitienne : Rx (−τ ) = Rx (τ )
Valeur maximale : |Rx (τ )| ≤ Rx (0)
Distance entre x(t) et x(t − τ ) : si x(t) est un signal réel

           d2 [x(t), x(t − τ )] = 2 [Rx (0) − Rx (τ )]

Donc Rx (τ ) mesure le lien entre x(t) et x(t − τ ).
Décomposition de Lebesgue : dans la quasi-totalité des
applications, on a

                   Rx (τ ) = R1 (τ ) + R2 (τ )

où R1 (τ ) est une somme de fonctions périodiques et
R2 (τ ) tend vers 0 lorsque τ → ∞.

                                       Cours Traitement du Signal, 2010 – p. 23/82
Propriétés de sx(f )

DSP réelle
                           sx (f ) ∈ R
De plus, si x(t) signal réel, sx (f ) réelle paire
Positivité : sx (f ) ≥ 0
Lien entre DSP et puissance/énergie

                P ou E = Rx (0) =            sx (f )df
                                         R

Décomposition de Lebesgue : dans la quasi-totalité des
applications, on a sx (f ) = s1 (f ) + s2 (f ), où s1 (f ) est un
spectre de raies et s2 (f ) un spectre continu (cas
général : partie singulière).

                                         Cours Traitement du Signal, 2010 – p. 24/82
Plan du cours
Chapitre 1 : Corrélations et Spectres
Chapitre 2 : Filtrage Linéaire
   Introduction
   Relations de Wiener-Lee
   Formule des interférences
   Exemples
Chapitre 3 : Échantillonnage
Chapitre 4 : Traitements Non-linéaires
Chapitre 5 : Processus de Poisson
Chapitre 6 : Signaux des télécommunications
                                  Cours Traitement du Signal, 2010 – p. 25/82
Introduction
On cherche une opération avec les propriétés suivantes
   Linéarité : T [a1 x1 (t) + a2 x2 (t)] = a1 T [x1 (t)] + a2 T [x2 (t)]
   Invariance dans le temps
   Si y(t) = T [x(t)] alors T [x(t − t0 )] = y(t − t0 )
   Stabilité BIBO
   Si |x(t)| ≤ Mx alors il existe My tel que

                        |y(t)| = |T [x(t)] | ≤ My

   “Limitation” du spectre d’un signal
 Convolution

     y(t) = x(t) ∗ h(t) =         x(u)h(t − u)du = h(t) ∗ x(t)
                              R

                                             Cours Traitement du Signal, 2010 – p. 26/82
Commentaires
La linéarité ne suffit pas. Contre-exemple

                        y(t) = m(t)x(t)

CNS de Stabilité BIBO

                     |h(t)|dt  ∞, i.e., h ∈ L1
                 R

Réponse impulsionnelle et Transmittance

        H(f ) = TF [h(t)] =         h(t) exp(−j2πf t)dt
                                R

Si x(t) = δ(t) alors y(t) = h(t). Ceci permet d’obtenir la
seule réponse impulsionnelle possible.
                                        Cours Traitement du Signal, 2010 – p. 27/82
Réalisabilité d’un filtre
Domaine temporel
  (1) h(t) réelle
  (2) h(t) ∈ L1 (stabilité)
  (3) h(t) causale (filtre sans mémoire)
Domaine spectral
  (1) Symétrie hermitienne : H ∗ (−f ) = H(f )
  (2) ne peut se traduire
                                             1
   (3) H(f ) = −j H(f ), où H(f ) = H(f ) ∗ πf est la
   transformée de Hilbert de H (preuve dans le cours
   manuscrit).



                                  Cours Traitement du Signal, 2010 – p. 28/82
Écriture équivalente
En écrivant H(f ) = Hr (f ) + jHi (f ), on obtient
                                         1
                     Hr (f ) =Hi (f ) ∗
                                        πf
                                            1
                     Hi (f ) = − Hr (f ) ∗
                                           πf




                                             Cours Traitement du Signal, 2010 – p. 29/82
Identifier une relation de filtrage linéaire

  Signaux déterministes

           y(t) = x(t) ∗ h(t) ⇔ Y (f ) = X(f )H(f )

  Signaux aléatoires : Isométrie fondamentale

                  I                      I
          Si x(t) ↔ ej2πf t , alors y(t) ↔ ej2πf t H(f )

  Exemples
               n
    y(t) = k=1 ak x(t − tk )
    y(t) = x′ (t)
    y(t) = x(t)m(t)




                                       Cours Traitement du Signal, 2010 – p. 30/82
Plan du cours
Chapitre 1 : Corrélations et Spectres
Chapitre 2 : Filtrage Linéaire
   Introduction
   Relations de Wiener-Lee
   Formule des interférences
   Exemples
Chapitre 3 : Échantillonnage
Chapitre 4 : Traitements Non-linéaires
Chapitre 5 : Processus de Poisson
Chapitre 6 : Signaux des télécommunications
                                  Cours Traitement du Signal, 2010 – p. 31/82
Relations de Wiener Lee
Densité spectrale de puissance

                   sy (f ) = sx (f )|H(f )|2

Intercorrélation

                   Ryx (τ ) = Rx (τ ) ∗ h(τ )

Autocorrélation

              Ry (τ ) = Rx (τ ) ∗ h(τ ) ∗ h∗ (−τ )




                                       Cours Traitement du Signal, 2010 – p. 32/82
Preuves (signaux à énergie finie)

Densité spectrale de puissance

      sy (f ) = |Y (f )|2 = |X(f )H(f )|2 = sx (f )|H(f )|2

Intercorrélation

Ryx (τ ) =       y(u)x∗ (u − τ )du
             R
                            −j2πf τ           ∗
        =        Y (f ) e             X(f )       df
             R

        =        X(f )H(f ) ej2πf τ X ∗ (f ) df
             R

        =        sx (f )H(f )ej2πf τ df = TF−1 [sx (f )H(f )]                 CQFD
             R

                                                   Cours Traitement du Signal, 2010 – p. 33/82
Preuve (signaux à puissance finie)

Intercorrélation
                      T0 /2
               1
    Ryx (τ ) =                y(t)x∗ (t − τ )dt
               T0    −T0 /2
                      T0 /2
              1
            =                       h(v)x(t − v)dv x∗ (t − τ )dt
              T0     −T0 /2     R
                                     T0 /2
                   1
            = h(v)                           x(t − v)x∗ (t − τ )dt dv
              R    T0               −T0 /2

            =       h(v)Rx (τ − v)dv           CQFD
                R

etc ...

                                                Cours Traitement du Signal, 2010 – p. 34/82
Preuves (signaux aléatoires)

Intercorrélation

           Ryx (τ ) =E[y(t)x∗ (t − τ )]
                   = y(t), x(t − τ )
                   = ej2πf t H(f ), ej2πf (t−τ )

                   =       ej2πf t H(f )e−j2πf (t−τ )sX (f )df
                       R

                   =       H(f )ej2πf τ sX (f )df
                       R
                   = h(τ ) ∗ Rx (τ )     CQFD

etc ...

                                            Cours Traitement du Signal, 2010 – p. 35/82
Plan du cours
Chapitre 1 : Corrélations et Spectres
Chapitre 2 : Filtrage Linéaire
   Introduction
   Relations de Wiener-Lee
   Formule des interférences
   Exemples
Chapitre 3 : Échantillonnage
Chapitre 4 : Traitements Non-linéaires
Chapitre 5 : Processus de Poisson
Chapitre 6 : Signaux des télécommunications
                                  Cours Traitement du Signal, 2010 – p. 36/82
Formule des interférences
Hypothèses

         y1 (t) = x(t) ∗ h1 (t) et y2 (t) = x(t) ∗ h2 (t)

Conclusion

         Ry1 y2 (τ ) =         sx (f )H1 (f )H2 (f )ej2πf τ df
                                              ∗
                           R
  Preuve

                              ∗
   Ry1 y2 (τ ) =       y1 (t)y2 (t − τ )dt
                   R
                                   −j2πf τ             ∗
             =         Y1 (f ) e             Y2 (f )       df
                   R

             =         H1 (f )X(f )ej2πf τ H2 (f )X ∗ (f )df
                                            ∗
                                                                          CQFD
                   R                            Cours Traitement du Signal, 2010 – p. 37/82
Plan du cours
Chapitre 1 : Corrélations et Spectres
Chapitre 2 : Filtrage Linéaire
   Introduction
   Relations de Wiener-Lee
   Formule des interférences
   Exemples
Chapitre 3 : Échantillonnage
Chapitre 4 : Traitements Non-linéaires
Chapitre 5 : Processus de Poisson
Chapitre 6 : Signaux des télécommunications
                                  Cours Traitement du Signal, 2010 – p. 38/82
Exemples

Filtre Passe-bas
    Transmittance
                      H(f ) = ΠF (f )
   Réponse impulsionnelle

                    h(t) = F sinc (πF t)

   non causale et ∈ L1 ⇒ troncature + décalage
                  /
Filtres liaisons montante et descendante d’une chaîne
de transmission




                                  Cours Traitement du Signal, 2010 – p. 39/82
Plan du cours
Chapitre 1 : Corrélations et Spectres
Chapitre 2 : Filtrage Linéaire
Chapitre 3 : Échantillonnage
   Échantillonnage idéal
   Échantillonnage réel
   Méthodes pratiques de restitution
Chapitre 4 : Traitements Non-linéaires
Chapitre 5 : Processus de Poisson
Chapitre 6 : Signaux des télécommunications


                                  Cours Traitement du Signal, 2010 – p. 40/82
Échantillonnage idéal
Signaux à énergie finie
   Domaine temporel

     xe (t) =         x(kTe )δ(t − kTe ) = x(t)          δ(t − kTe )
                k∈Z                                k∈Z

  Domaine Fréquentiel

   Xe (f ) = X(f ) ∗ Fe          δ(f − kFe ) = Fe         X(f − kFe )
                           k∈Z                      k∈Z

  Périodisation du spectre




                                         Cours Traitement du Signal, 2010 – p. 41/82
Commentaires
Théorème de Shannon

                         Fe  2fmax

Restitution
                  Xr (f ) = Xe (f )Πfe (f )
Interpolateur de Shannon

         xr (t) = Fe         x(kTe )sinc [πFe (t − kTe )]
                       k∈Z

Généralisation

              xr (t) =         x(kTe )h (t − kTe )
                         k∈Z

                                         Cours Traitement du Signal, 2010 – p. 42/82
Commentaires
Fréquences normalisées
                                f    1
              Fe  2fmax   ⇔ f=    ≤
                                Fe   2

Repliement et filtre anti-repliement




                                  Cours Traitement du Signal, 2010 – p. 43/82
Échantillonnage d’une sinusoïde
Signal et spectre
                              A
x(t) = A cos(2πf0 t) ⇔ X(f ) = [δ(f − f0 ) + δ(f + f0 )]
                              2
Cas particulier
                           Fe = 2f0
Repliement

                  f0 = 5kHz et Fe = 100kHz
                  f0 = 5kHz et Fe = 8kHz

Filtre de restitution ΠFe (f )


                                      Cours Traitement du Signal, 2010 – p. 44/82
Plan du cours
Chapitre 1 : Corrélations et Spectres
Chapitre 2 : Filtrage Linéaire
Chapitre 3 : Échantillonnage
   Échantillonnage idéal
   Échantillonnage réel
   Méthodes pratiques de restitution
Chapitre 4 : Traitements Non-linéaires
Chapitre 5 : Processus de Poisson
Chapitre 6 : Signaux des télécommunications


                                  Cours Traitement du Signal, 2010 – p. 45/82
Échantillonnage bloqueur
Domaine temporel
                                 τ                        τ
 xb (t) =         x(kTe )πτ   t − − kTe = xe (t) ∗ πτ t −
                                 2                        2
            k∈Z

Domaine spectral
                 τ −jπτ f
        Xb (f ) = e       sinc(πτ f )          X(f − kFe )
                 Te
                                         k∈Z

Spectre d’ordre 0
                           τ −jπτ f
                  X0 (f ) = e       sinc(πτ f )X(f )
                           Te

Conditions de restitution
                                         Cours Traitement du Signal, 2010 – p. 46/82
Échantillonnage réel

Échantillonnage moyenneur
voir TD
Échantillonnage à porte analogique
...
Exemples
  Téléphone

              fmax = 3400Hz et Fe = 8kHz

  Audio
              fmax = 15kHz et Fe = 44.1kHz




                                Cours Traitement du Signal, 2010 – p. 47/82
Plan du cours
Chapitre 1 : Corrélations et Spectres
Chapitre 2 : Filtrage Linéaire
Chapitre 3 : Échantillonnage
   Échantillonnage idéal
   Échantillonnage réel
   Méthodes pratiques de restitution
Chapitre 4 : Traitements Non-linéaires
Chapitre 5 : Processus de Poisson
Chapitre 6 : Signaux des télécommunications


                                  Cours Traitement du Signal, 2010 – p. 48/82
Restitution
Filtrage passe bas

                         H(f ) = ΠFe (f )

Interpolation linéaire
Filtre non causal
Bloqueur d’ordre 0
Utilisé dans la quasi-totalité des applications




                                       Cours Traitement du Signal, 2010 – p. 49/82
Plan du cours
Chapitre 1 : Corrélations et Spectres
Chapitre 2 : Filtrage Linéaire
Chapitre 3 : Échantillonnage
Chapitre 4 : Traitements Non-linéaires
   Introduction
   Quadrateur
   Quantification
Chapitre 5 : Processus de Poisson
Chapitre 6 : Signaux des télécommunications


                                  Cours Traitement du Signal, 2010 – p. 50/82
Introduction
Transformation sans mémoire

                   y(t) = g [x(t)]

Exemples
  Quadrateur
                     y(t) = x2 (t)
  Quantification
                     y(t) = xQ (t)




                                 Cours Traitement du Signal, 2010 – p. 51/82
Plan du cours
Chapitre 1 : Corrélations et Spectres
Chapitre 2 : Filtrage Linéaire
Chapitre 3 : Échantillonnage
Chapitre 4 : Traitements Non-linéaires
   Introduction
   Quadrateur
   Quantification
Chapitre 5 : Processus de Poisson
Chapitre 6 : Signaux des télécommunications


                                  Cours Traitement du Signal, 2010 – p. 52/82
Quadrateur

Signaux déterministes

                   Y (f ) = X(f ) ∗ X(f )

Exemples
  Sinusoïde : x(t) = A cos(2πf0 t)

                A2         A2
       Y (f ) =    δ(f ) +    [δ(f − 2f0 ) + δ(f + 2f0 )]
                2          4
   Disparition de la fréquence f0 et apparition de la
   fréquence 2f0
   Somme de sinusoïdes : Termes d’intermodulation
   Sinus cardinal : doublement de la largeur de bande


                                     Cours Traitement du Signal, 2010 – p. 53/82
Quadrateur pour signaux aléatoires

Théorème de Price
  Hypothèses
  (X1 , X2 ) vecteur Gaussien de moyenne nulle
  Y1 = g(X1 ) et Y2 = g(X2 )
  Conclusion
               ∂E(Y1 Y2 )       ∂Y1 ∂Y2
                          =E
               ∂E(X1 X2 )       ∂X1 ∂X2

  Application au quadrateur
                              2
                  RY (τ ) = 2RX (τ ) + K




                                 Cours Traitement du Signal, 2010 – p. 54/82
Remarques

Loi Gaussienne bivariée
                              1            1 T −1
         p(x1 , x2 ) =                exp − x Σ x
                         2π       |Σ|      2

Stationnarité

  E [Y (t)Y (t − τ )] =            g (x1 ) g (x2 ) p (x1 , x2 ) dx1 dx2

avec x1 = X(t), x2 = X(t − τ ) et

                              RX (0) RX (τ )
                 Σ=
                              RX (τ ) RX (0)


                                            Cours Traitement du Signal, 2010 – p. 55/82
Détermination de K
Moments d’une loi Gaussienne centrée

E X 2n+1 = 0, E X 2n = [(2n−1)×(2n−3)...×3×1]σ 2n

τ =0

    E Y 2 (t) = E X 4 (t) = 3RX (0) = 2RX (0) + K
                              2         2


Autocorrélation
                              2         2
                  RY (τ ) = 2RX (τ ) + RX (0)

Densité spectrale de puissance
                                          2
          sY (f ) = 2sX (f ) ∗ sX (f ) + RX (0)δ(f )


                                     Cours Traitement du Signal, 2010 – p. 56/82
Plan du cours
Chapitre 1 : Corrélations et Spectres
Chapitre 2 : Filtrage Linéaire
Chapitre 3 : Échantillonnage
Chapitre 4 : Traitements Non-linéaires
   Introduction
   Quadrateur
   Quantification
Chapitre 5 : Processus de Poisson
Chapitre 6 : Signaux des télécommunications


                                  Cours Traitement du Signal, 2010 – p. 57/82
Quantification

Principe
                               ∆qi               ∆qi
    xQ (t) = i∆qi = xi et xi −     ≤ x(t) ≤ xi +
                                2                 2
Définitions
  Pas de quantification ∆qi
  Quantification uniforme ∆qi = ∆q = 2Amax
                                      N
  Niveaux de quantification: xi
  Nombre de bits de quantification N = 2n




                                  Cours Traitement du Signal, 2010 – p. 58/82
Erreur de quantification

Hypothèse
ǫ(t) suit la loi uniforme sur − ∆q , ∆q , i.e., N ≥ 28
                                2    2

Rapport signal sur bruit de quantification
                                              2
                                             σx
                  SNRdB = 10 log10            2
                                             σǫ

                            2       (∆q)2
   Variance du bruit :     σǫ   =    12
                  2       A2
   Sinusoïde :   σx   =   2
Conclusion
                      SNRdB = 6n + 1.76



                                            Cours Traitement du Signal, 2010 – p. 59/82
Remarques

Généralisation à un signal Gaussien

           2Sσ = N ∆q ⇒ SNRdB = 6n + ...

Quantification non uniforme




                                Cours Traitement du Signal, 2010 – p. 60/82
Plan du cours
Chapitre 1 : Corrélations et Spectres
Chapitre 2 : Filtrage Linéaire
Chapitre 3 : Échantillonnage
Chapitre 4 : Traitements Non-linéaires
Chapitre 5 : Processus de Poisson
   Définition
   Signal des télégraphistes
   Introduction aux files d’attente
Chapitre 6 : Signaux des télécommunications


                                     Cours Traitement du Signal, 2010 – p. 61/82
Processus de Poisson homogène

Notations
  Instants : {tj }j∈Z
  Nombre d’instants dans [t, t + τ [ : N (t, τ )
Hypothèses
  Stationnarité (régime établi) : Pn (τ ) = P [N (t, τ ) = n]
  est indépendante de t.
  Indépendance du passé et de l’avenir (non
  embouteillage) : si [t, t + τ [ et [t′ , t′ + τ ′ [ sont des
  intervalles disjoints, alors N (t, τ ) et N (t′ , τ ′ ) sont des
  va indépendantes.
  Non accumulation (non simultanéité des instants ti ) :
  si φ(τ ) = P [N (t, τ ) ≥ 2], alors φ(τ ) → 0
                                       τ   τ →0


                                       Cours Traitement du Signal, 2010 – p. 62/82
Conclusions
Loi de N (t, τ )
N (t, τ ) suit une loi de Poisson de paramètre λτ , où λ est
le nombre moyen d’instants dans un intervalle de
largeur τ = 1.
Loi des largeurs d’intervalles :
Si Ln = tn+1 − tn , alors {Ln }n∈Z est une suite de va
indépendantes de lois exponentielles de paramètre λ
(utile pour la simulation)
Loi des instants
Si l’intervalle [0, t[ contient n instants t1 , ..., tn , alors
chaque instant ti suit une loi uniforme sur [0, t[.




                                          Cours Traitement du Signal, 2010 – p. 63/82
Plan du cours
Chapitre 1 : Corrélations et Spectres
Chapitre 2 : Filtrage Linéaire
Chapitre 3 : Échantillonnage
Chapitre 4 : Traitements Non-linéaires
Chapitre 5 : Processus de Poisson
   Définition
   Signal des télégraphistes
   Introduction aux files d’attente
Chapitre 6 : Signaux des télécommunications


                                     Cours Traitement du Signal, 2010 – p. 64/82
Signal des télégraphistes

Définition
                   
                    A si t = 0
                   
            X(t) =   A si N (0, t) pair
                   
                    −A si N (0, t) impair

où A est uniforme sur {−1, +1}.
Stationnarité
   Moyenne

                E [X(t)] = 2P [X(t) = 1] − 1 = 0

   Fonction d’autocorrélation

            E [X(t)X(t − τ )] = e−2λ|τ | ,     τ ∈R
                                    Cours Traitement du Signal, 2010 – p. 65/82
Signal des télégraphistes

Densité spectrale de puissance
                             λ
                 sX (f ) = 2
                          λ + π2f 2

Application
Imagerie radar à synthèse d’ouverture (Imagerie SAR)




                                 Cours Traitement du Signal, 2010 – p. 66/82
Plan du cours
Chapitre 1 : Corrélations et Spectres
Chapitre 2 : Filtrage Linéaire
Chapitre 3 : Échantillonnage
Chapitre 4 : Traitements Non-linéaires
Chapitre 5 : Processus de Poisson
   Définition
   Signal des télégraphistes
   Introduction aux Files d’attente
Chapitre 6 : Signaux des télécommunications


                                      Cours Traitement du Signal, 2010 – p. 67/82
Introduction aux Files d’attente
Hypothèses
   Un guichet
   Une file d’attente
   Arrivée des clients décrite par un processus de
   Poisson de paramètre λ
   Temps de service Ts ∼ E(µ) avec E(Ts ) = 1/µ
Conclusion (admise)
Probabilité d’avoir n clients dans le système à l’instant t

             P [X(t) = n] = (1 − Q)Qn , n ∈ N

avec Q = λ/µ  1.


                                   Cours Traitement du Signal, 2010 – p. 68/82
Nombres moyens de clients

Dans le système
                                       Q
                       L = E [X(t)] =
                                      1−Q

Dans la file d’attente
                                   Q2
                  LQ = E XQ (t) =
                                  1−Q

Résultat utile
                 ∞
                         n     x
                       nx =         2
                                      ,     |x|  1
                            (1 − x)
                 n=1



                                          Cours Traitement du Signal, 2010 – p. 69/82
Temps de séjour moyen d’un client C

Dans le système
                                           1
         W = E (T ) = E [E (T |An )] =
                                       µ(1 − Q)

où An est l’événement “il y a n clients dans le système
lorsque C y rentre”.
Dans la file d’attente
                                   1     Q
         WQ = E T Q      = E (T ) − =
                                   µ  µ(1 − Q)

Formules de Little
                        L   LQ
                          =    =λ
                        W   WQ
                                  Cours Traitement du Signal, 2010 – p. 70/82
Plan du cours
Chapitre 1 : Corrélations et Spectres
Chapitre 2 : Filtrage Linéaire
Chapitre 3 : Échantillonnage
Chapitre 4 : Traitements Non-linéaires
Chapitre 5 : Processus de Poisson
Chapitre 6 : Signaux des télécommunications




                                  Cours Traitement du Signal, 2010 – p. 71/82
Signaux des télécommunications

Chaîne de transmission
  Échantillonnage et Quantification
  Codage
  Mise en forme
  modulation
  ...
Le signal NRZ : soit {An }n∈Z une suite de va binaires
indépendantes avec P [An = 1] = 1 − P [An = 0] = p.
   Modèle 1
                         X(t) = At
   Modèle 2
                  Y (t) = X(t + φ) = At+φ

                                  Cours Traitement du Signal, 2010 – p. 72/82
Signal NRZ (modèle 1)

Moyenne
                    E[X(t)] = E[At ] = p
Fonction d’autocorrélation

                E[X(t)X(t − τ )] dépend de t

Exemple : t = 1 , τ = − 1 et t = 3 , τ = − 1 .
              4         2        4         2




                                      Cours Traitement du Signal, 2010 – p. 73/82
Signal NRZ (modèle 2)

Moyenne
                        E[Y (t)] = p.
Fonction d’autocorrélation

          E[Y (t)Y (t − τ )] = p2 + (p − p2 )Λ1 (τ )




                                     Cours Traitement du Signal, 2010 – p. 74/82
Preuves
Moyenne

          E[Y (t)] = E[At+φ ]
                  = E[φ E[At+φ |φ]]
                  = E[p]
                  = p.     CQFD




                            Cours Traitement du Signal, 2010 – p. 75/82
Preuves
Fonction d’autocorrélation

        E[Y (t)Y (t − τ )] = E[At+φ At−τ +φ ]
                         = E[φ E[At+φ At−τ +φ |φ]]
                                 1
                         =           E[At+φ At−τ +φ ]dφ
                             0
                                 t+1
                         =             E[Au Au−τ ]du
                             t
                                 1
                         =           E[A0 Au−τ ]du.
                             0




                                        Cours Traitement du Signal, 2010 – p. 76/82
Preuves
τ ≤ −1
                 1                         1
                     E[A0 Au−τ ]du =           E[A0 ]E[Au−τ ]du
             0                         0
                                       2
                                  =p .

−1 ≥ τ ≥ 0
             1                             1+τ               1
                 E[A0 Au−τ ]du =                 pdu +           p2 du
         0                             0                   1+τ
                                 = p(1 + τ ) − p2 τ.




                                                 Cours Traitement du Signal, 2010 – p. 77/82
Signal NRZ (modèle 2)

Moyenne
                        E[Y (t)] = p.
Fonction d’autocorrélation

          E[Y (t)Y (t − τ )] = p2 + (p − p2 )Λ1 (τ )




                                     Cours Traitement du Signal, 2010 – p. 78/82
Généralisation

           X(t) = At/T ,       Y (t) = X(t + φ)

Moyenne
                         E[Y (t)] = p.
Fonction d’autocorrélation

          E[Y (t)Y (t − τ )] = p2 + (p − p2 )ΛT (τ ).

Densité spectrale de puissance

          sY (f ) = p2 δ(f ) + (p − p2 )T sinc2 (πT f )
                           2
Bande passante : B =       T   (si T ց, le débit ր et B ր)


                                       Cours Traitement du Signal, 2010 – p. 79/82
Signal Biphase

Formes d’onde
                          T
     m1 (t) = 2ΠT /2   t−       − 1,     m0 (t) = −m1 (t)
                          4

Moyenne : E[X(t)] = 0
Fonction d’autocorrélation

            E[X(t)X(t − τ )] = R1 (τ ) + R2 (τ )

avec R1 (τ ) = k∈Z m(τ − kT ) périodique, R2 (τ ) de
support [−T, +T ], et

       m(t) = 2(2p − 1)2 ΛT /2 (τ ) − (2p − 1)2 ΠT (τ )


                                       Cours Traitement du Signal, 2010 – p. 80/82
Signal Biphase

Densité spectrale de puissance

                   sX (f ) = s1 (f ) + s2 (f )

avec s1 (f ) spectre de raies

                                    k        k
              s1 (f ) =         M       δ f−
                                    T        T
                          k∈Z

et s2 (f ) spectre continu

                                                 πT f
                                          sin4     2
             s2 (f ) = [1 − (2p − 1)2 ]              2
                                              πT f
                                               2


                                          Cours Traitement du Signal, 2010 – p. 81/82
Remarques

Fonction M
                     2k
                 M         =0
                     T
                  2k + 1     4 (2p − 1)2
             M             = 2
                    T       π (2k + 1)2

pour k ∈ Z.
 récupération de l’horloge




                                Cours Traitement du Signal, 2010 – p. 82/82

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Traitement du signal

  • 1. Traitement du Signal Jean-Yves Tourneret(1) (1) Université of Toulouse, ENSEEIHT-IRIT-TéSA Thème 1 : Analyse et Synthèse de l’Information jyt@n7.fr Cours Traitement du Signal, 2010 – p. 1/82
  • 2. Bibliographie J. Max et J.-L. Lacoume, Méthodes et techniques de traitement du signal, Dunod, 5me édition, 2004. Athanasios Papoulis and S. Unnikrishna Pillai, Probability, Random Variable and Stochastic Processes, McGraw Hill Higher Education, 4th edition, 2002. Cours Traitement du Signal, 2010 – p. 2/82
  • 3. Plan du cours Chapitre 1 : Corrélations et Spectres Transformée de Fourier Classes de signaux déterministes et aléatoires Propriétés de Rx (τ ) et de sx (f ) Chapitre 2 : Filtrage Linéaire Chapitre 3 : Échantillonnage Chapitre 4 : Traitements Non-linéaires Chapitre 5 : Processus de Poisson Chapitre 6 : Signaux des télécommunications Cours Traitement du Signal, 2010 – p. 3/82
  • 4. Transformée de Fourier Définitions Formule directe X(f ) = x(t) exp (−j2πf t) dt R Formule inverse x(t) = X(f ) exp (j2πf t) df R Hypothèses TF sur L1 ou L2 Cours Traitement du Signal, 2010 – p. 4/82
  • 5. Propriétés Linéarité TF [ax(t) + by(t)] = aX(f ) + bY (f ) Parité x(t) réelle paire ⇒ X(f ) réelle paire Translation et Modulation TF [x(t − t0 )] = exp(−j2πf t0 )X(f ) TF [x(t) exp(j2πf0 t)] = X(f − f0 ) Similitude 1 f TF [x(at)] = X |a| a Cours Traitement du Signal, 2010 – p. 5/82
  • 6. Propriétés Produits de Convolution TF [x(t) ∗ y(t)] = X(f )Y (f ) TF [x(t)y(t)] = X(f ) ∗ Y (f ) Égalite de Parseval x(t)y ∗ (t)dt = X(f )Y ∗ (f )df R R Conjugaison TF [x∗ (t)] = X ∗ (−f ) Cours Traitement du Signal, 2010 – p. 6/82
  • 7. Distributions Localisation x(t)δ(t − t0 ) = x(t0 )δ(t − t0 ) Produit de Convolution x(t) ∗ δ(t − t0 ) = x(t − t0 ) Transformées de Fourier TF [δ(t)] = 1, TF [1] = δ(f ) TF [δ(t − t0 )] = exp(−j2πf t0 ), TF [exp(j2πf0 t)] = δ(f − f0 ) Cours Traitement du Signal, 2010 – p. 7/82
  • 8. Plan du cours Chapitre 1 : Corrélations et Spectres Transformée de Fourier Classes de signaux déterministes et aléatoires Propriétés de Rx (τ ) et de sx (f ) Chapitre 2 : Filtrage Linéaire Chapitre 3 : Échantillonnage Chapitre 4 : Traitements Non-linéaires Chapitre 5 : Processus de Poisson Chapitre 6 : Signaux des télécommunications Cours Traitement du Signal, 2010 – p. 8/82
  • 9. Classes de signaux déterministes et aléatoires Classe 1 : signaux déterministes à énergie finie Classe 2 : signaux déterministes périodiques à puissance finie Classe 3 : signaux déterministes non périodiques à puissance finie Classe 4 : signaux aléatoires stationnaires Cours Traitement du Signal, 2010 – p. 9/82
  • 10. Signaux déterministes à énergie finie Définition E = R |x(t)|2 dt = R |X(f )|2 df < ∞ Fonction d’autocorrélation Rx (τ ) = x(t)x∗ (t − τ )dt = x(t), x(t − τ ) R Fonction d’intercorrélation Rxy (τ ) = x(t)y ∗ (t − τ )dt = x(t), y(t − τ ) R Produit scalaire x(t), y(t) = x(t)y ∗ (t)dt R Cours Traitement du Signal, 2010 – p. 10/82
  • 11. Densité spectrale d’énergie Définition sx (f ) = TF [Rx (τ )] Propriété sx (f ) = |X(f )|2 Preuve sx (f ) = x(t)x∗ (t − τ )dt exp(−j2πf τ )dτ R R = x∗ (t − τ ) exp(−j2πf τ )dτ x(t)dt R R = x∗ (u) exp [j2πf (u − t)] du x(t)dt R R ∗ = X (f )X(f ) Cours Traitement du Signal, 2010 – p. 11/82
  • 12. Exemple Fenêtre rectangulaire 1 si − T < t < 2 T 2 x(t) = ΠT (t) = 0 sinon Fonction d’autocorrélation Rx (τ ) = T ΛT (τ ) Densité spectrale d’énergie sx (f ) = T 2 sinc2 (πT f ) = |X(f )|2 Cours Traitement du Signal, 2010 – p. 12/82
  • 13. Signaux déterministes périodiques 1 T0 /2 Définition P = T0 −T0 /2 |x(t)|2 dt <∞ Fonction d’autocorrélation T0 /2 1 Rx (τ ) = x(t)x∗ (t − τ )dt = x(t), x(t − τ ) T0 −T0 /2 Fonction d’intercorrélation T0 /2 1 Rxy (τ ) = x(t)y ∗ (t − τ )dt = x(t), y(t − τ ) T0 −T0 /2 Produit scalaire T0 /2 1 x(t), y(t) = x(t)y ∗ (t)dt T0 −T0 /2 Cours Traitement du Signal, 2010 – p. 13/82
  • 14. Densité spectrale de puissance Définition sx (f ) = TF [Rx (τ )] Propriété sx (f ) = |ck |2 δ(f − kf0 ) k∈Z avec x(t) = k∈Z ck exp(j2πkf0 t). Preuve T0 /2 ∗ 1 Rx (τ ) = ck cl exp (j2πlf0 τ ) exp [j2π(k − l)f0 t] dt T0 −T0 /2 k,l = |ck |2 exp(j2πkf0 τ ) k Cours Traitement du Signal, 2010 – p. 14/82
  • 15. Exemple Sinusoïde x(t) = A cos(2πf0 t) Fonction d’autocorrélation A2 Rx (τ ) = cos(2πf0 τ ) 2 Densité spectrale de puissance A2 sx (f ) = [δ(f − f0 ) + δ(f + f0 )] 4 Cours Traitement du Signal, 2010 – p. 15/82
  • 16. Signaux déterministes à puissance finie 1 T /2 Définition P = lim T −T /2 |x(t)|2 dt <∞ T →∞ Fonction d’autocorrélation T /2 1 Rx (τ ) = lim x(t)x∗ (t − τ )dt = x(t), x(t − τ ) T →∞ T −T /2 Fonction d’intercorrélation T /2 1 Rxy (τ ) = lim x(t)y ∗ (t − τ )dt = x(t), y(t − τ ) T →∞ T −T /2 Produit scalaire T /2 1 x(t), y(t) = lim x(t)y ∗ (t)dt T →∞ T −T /2 Cours Traitement du Signal, 2010 – p. 16/82
  • 17. Densité spectrale de puissance Définition sx (f ) = TF [Rx (τ )] Propriété 1 sx (f ) = lim |XT (f )|2 T →∞ T avec T /2 XT (f ) = x(t) exp(−j2πf t)dt −T /2 Exemple x(t) = A1 cos(2πf1 t) + A2 cos(2πf2 t) avec f1 et f2 non commensurables. Cours Traitement du Signal, 2010 – p. 17/82
  • 18. Signaux aléatoires stationnaires Définition Moyenne : E[x(t)] indépendant de t Moment d’ordre 2 : E[x(t)x∗ (t − τ )] indépendant de t Fonction d’autocorrélation Rx (τ ) = E[x(t)x∗ (t − τ )] = x(t), x(t − τ ) Fonction d’intercorrélation E[x(t)y ∗ (t − τ )] = x(t), y(t − τ ) Produit scalaire x(t), y(t) = E[x(t)y ∗ (t)] Remarques : stationnarité au sens strict, large, à l’ordre deux, tests de stationnarité. Cours Traitement du Signal, 2010 – p. 18/82
  • 19. Densité spectrale de puissance Puissance moyenne P = Rx (0) = E |x(t)|2 = sx (f )df R Densité spectrale de puissance Définition sx (f ) = TF [Rx (τ )] Propriété 1 sx (f ) = lim E |XT (f )|2 T →∞ T mais en général X(f ) n’existe pas ! Cours Traitement du Signal, 2010 – p. 19/82
  • 20. Exemples Exemple 1 : Sinusoïde x(t) = A cos(2πf0 t + θ) θ va uniforme sur [0, 2π]. Fonction d’autocorrélation A2 Rx (τ ) = cos(2πf0 τ ) 2 Densité spectrale de puissance A2 sx (f ) = [δ(f − f0 ) + δ(f + f0 )] 4 Cours Traitement du Signal, 2010 – p. 20/82
  • 21. Exemples Exemple 2 : Bruit blanc Fonction d’autocorrélation N0 Rx (τ ) = δ(τ ) 2 Densité spectrale de puissance N0 sx (f ) = 2 Cours Traitement du Signal, 2010 – p. 21/82
  • 22. Plan du cours Chapitre 1 : Corrélations et Spectres Transformée de Fourier Classes de signaux déterministes et aléatoires Propriétés de Rx (τ ) et de sx (f ) Chapitre 2 : Filtrage Linéaire Chapitre 3 : Échantillonnage Chapitre 4 : Traitements Non-linéaires Chapitre 5 : Processus de Poisson Chapitre 6 : Signaux des télécommunications Cours Traitement du Signal, 2010 – p. 22/82
  • 23. Propriétés de Rx(τ ) ∗ Symétrie Hermitienne : Rx (−τ ) = Rx (τ ) Valeur maximale : |Rx (τ )| ≤ Rx (0) Distance entre x(t) et x(t − τ ) : si x(t) est un signal réel d2 [x(t), x(t − τ )] = 2 [Rx (0) − Rx (τ )] Donc Rx (τ ) mesure le lien entre x(t) et x(t − τ ). Décomposition de Lebesgue : dans la quasi-totalité des applications, on a Rx (τ ) = R1 (τ ) + R2 (τ ) où R1 (τ ) est une somme de fonctions périodiques et R2 (τ ) tend vers 0 lorsque τ → ∞. Cours Traitement du Signal, 2010 – p. 23/82
  • 24. Propriétés de sx(f ) DSP réelle sx (f ) ∈ R De plus, si x(t) signal réel, sx (f ) réelle paire Positivité : sx (f ) ≥ 0 Lien entre DSP et puissance/énergie P ou E = Rx (0) = sx (f )df R Décomposition de Lebesgue : dans la quasi-totalité des applications, on a sx (f ) = s1 (f ) + s2 (f ), où s1 (f ) est un spectre de raies et s2 (f ) un spectre continu (cas général : partie singulière). Cours Traitement du Signal, 2010 – p. 24/82
  • 25. Plan du cours Chapitre 1 : Corrélations et Spectres Chapitre 2 : Filtrage Linéaire Introduction Relations de Wiener-Lee Formule des interférences Exemples Chapitre 3 : Échantillonnage Chapitre 4 : Traitements Non-linéaires Chapitre 5 : Processus de Poisson Chapitre 6 : Signaux des télécommunications Cours Traitement du Signal, 2010 – p. 25/82
  • 26. Introduction On cherche une opération avec les propriétés suivantes Linéarité : T [a1 x1 (t) + a2 x2 (t)] = a1 T [x1 (t)] + a2 T [x2 (t)] Invariance dans le temps Si y(t) = T [x(t)] alors T [x(t − t0 )] = y(t − t0 ) Stabilité BIBO Si |x(t)| ≤ Mx alors il existe My tel que |y(t)| = |T [x(t)] | ≤ My “Limitation” du spectre d’un signal Convolution y(t) = x(t) ∗ h(t) = x(u)h(t − u)du = h(t) ∗ x(t) R Cours Traitement du Signal, 2010 – p. 26/82
  • 27. Commentaires La linéarité ne suffit pas. Contre-exemple y(t) = m(t)x(t) CNS de Stabilité BIBO |h(t)|dt ∞, i.e., h ∈ L1 R Réponse impulsionnelle et Transmittance H(f ) = TF [h(t)] = h(t) exp(−j2πf t)dt R Si x(t) = δ(t) alors y(t) = h(t). Ceci permet d’obtenir la seule réponse impulsionnelle possible. Cours Traitement du Signal, 2010 – p. 27/82
  • 28. Réalisabilité d’un filtre Domaine temporel (1) h(t) réelle (2) h(t) ∈ L1 (stabilité) (3) h(t) causale (filtre sans mémoire) Domaine spectral (1) Symétrie hermitienne : H ∗ (−f ) = H(f ) (2) ne peut se traduire 1 (3) H(f ) = −j H(f ), où H(f ) = H(f ) ∗ πf est la transformée de Hilbert de H (preuve dans le cours manuscrit). Cours Traitement du Signal, 2010 – p. 28/82
  • 29. Écriture équivalente En écrivant H(f ) = Hr (f ) + jHi (f ), on obtient 1 Hr (f ) =Hi (f ) ∗ πf 1 Hi (f ) = − Hr (f ) ∗ πf Cours Traitement du Signal, 2010 – p. 29/82
  • 30. Identifier une relation de filtrage linéaire Signaux déterministes y(t) = x(t) ∗ h(t) ⇔ Y (f ) = X(f )H(f ) Signaux aléatoires : Isométrie fondamentale I I Si x(t) ↔ ej2πf t , alors y(t) ↔ ej2πf t H(f ) Exemples n y(t) = k=1 ak x(t − tk ) y(t) = x′ (t) y(t) = x(t)m(t) Cours Traitement du Signal, 2010 – p. 30/82
  • 31. Plan du cours Chapitre 1 : Corrélations et Spectres Chapitre 2 : Filtrage Linéaire Introduction Relations de Wiener-Lee Formule des interférences Exemples Chapitre 3 : Échantillonnage Chapitre 4 : Traitements Non-linéaires Chapitre 5 : Processus de Poisson Chapitre 6 : Signaux des télécommunications Cours Traitement du Signal, 2010 – p. 31/82
  • 32. Relations de Wiener Lee Densité spectrale de puissance sy (f ) = sx (f )|H(f )|2 Intercorrélation Ryx (τ ) = Rx (τ ) ∗ h(τ ) Autocorrélation Ry (τ ) = Rx (τ ) ∗ h(τ ) ∗ h∗ (−τ ) Cours Traitement du Signal, 2010 – p. 32/82
  • 33. Preuves (signaux à énergie finie) Densité spectrale de puissance sy (f ) = |Y (f )|2 = |X(f )H(f )|2 = sx (f )|H(f )|2 Intercorrélation Ryx (τ ) = y(u)x∗ (u − τ )du R −j2πf τ ∗ = Y (f ) e X(f ) df R = X(f )H(f ) ej2πf τ X ∗ (f ) df R = sx (f )H(f )ej2πf τ df = TF−1 [sx (f )H(f )] CQFD R Cours Traitement du Signal, 2010 – p. 33/82
  • 34. Preuve (signaux à puissance finie) Intercorrélation T0 /2 1 Ryx (τ ) = y(t)x∗ (t − τ )dt T0 −T0 /2 T0 /2 1 = h(v)x(t − v)dv x∗ (t − τ )dt T0 −T0 /2 R T0 /2 1 = h(v) x(t − v)x∗ (t − τ )dt dv R T0 −T0 /2 = h(v)Rx (τ − v)dv CQFD R etc ... Cours Traitement du Signal, 2010 – p. 34/82
  • 35. Preuves (signaux aléatoires) Intercorrélation Ryx (τ ) =E[y(t)x∗ (t − τ )] = y(t), x(t − τ ) = ej2πf t H(f ), ej2πf (t−τ ) = ej2πf t H(f )e−j2πf (t−τ )sX (f )df R = H(f )ej2πf τ sX (f )df R = h(τ ) ∗ Rx (τ ) CQFD etc ... Cours Traitement du Signal, 2010 – p. 35/82
  • 36. Plan du cours Chapitre 1 : Corrélations et Spectres Chapitre 2 : Filtrage Linéaire Introduction Relations de Wiener-Lee Formule des interférences Exemples Chapitre 3 : Échantillonnage Chapitre 4 : Traitements Non-linéaires Chapitre 5 : Processus de Poisson Chapitre 6 : Signaux des télécommunications Cours Traitement du Signal, 2010 – p. 36/82
  • 37. Formule des interférences Hypothèses y1 (t) = x(t) ∗ h1 (t) et y2 (t) = x(t) ∗ h2 (t) Conclusion Ry1 y2 (τ ) = sx (f )H1 (f )H2 (f )ej2πf τ df ∗ R Preuve ∗ Ry1 y2 (τ ) = y1 (t)y2 (t − τ )dt R −j2πf τ ∗ = Y1 (f ) e Y2 (f ) df R = H1 (f )X(f )ej2πf τ H2 (f )X ∗ (f )df ∗ CQFD R Cours Traitement du Signal, 2010 – p. 37/82
  • 38. Plan du cours Chapitre 1 : Corrélations et Spectres Chapitre 2 : Filtrage Linéaire Introduction Relations de Wiener-Lee Formule des interférences Exemples Chapitre 3 : Échantillonnage Chapitre 4 : Traitements Non-linéaires Chapitre 5 : Processus de Poisson Chapitre 6 : Signaux des télécommunications Cours Traitement du Signal, 2010 – p. 38/82
  • 39. Exemples Filtre Passe-bas Transmittance H(f ) = ΠF (f ) Réponse impulsionnelle h(t) = F sinc (πF t) non causale et ∈ L1 ⇒ troncature + décalage / Filtres liaisons montante et descendante d’une chaîne de transmission Cours Traitement du Signal, 2010 – p. 39/82
  • 40. Plan du cours Chapitre 1 : Corrélations et Spectres Chapitre 2 : Filtrage Linéaire Chapitre 3 : Échantillonnage Échantillonnage idéal Échantillonnage réel Méthodes pratiques de restitution Chapitre 4 : Traitements Non-linéaires Chapitre 5 : Processus de Poisson Chapitre 6 : Signaux des télécommunications Cours Traitement du Signal, 2010 – p. 40/82
  • 41. Échantillonnage idéal Signaux à énergie finie Domaine temporel xe (t) = x(kTe )δ(t − kTe ) = x(t) δ(t − kTe ) k∈Z k∈Z Domaine Fréquentiel Xe (f ) = X(f ) ∗ Fe δ(f − kFe ) = Fe X(f − kFe ) k∈Z k∈Z Périodisation du spectre Cours Traitement du Signal, 2010 – p. 41/82
  • 42. Commentaires Théorème de Shannon Fe 2fmax Restitution Xr (f ) = Xe (f )Πfe (f ) Interpolateur de Shannon xr (t) = Fe x(kTe )sinc [πFe (t − kTe )] k∈Z Généralisation xr (t) = x(kTe )h (t − kTe ) k∈Z Cours Traitement du Signal, 2010 – p. 42/82
  • 43. Commentaires Fréquences normalisées f 1 Fe 2fmax ⇔ f= ≤ Fe 2 Repliement et filtre anti-repliement Cours Traitement du Signal, 2010 – p. 43/82
  • 44. Échantillonnage d’une sinusoïde Signal et spectre A x(t) = A cos(2πf0 t) ⇔ X(f ) = [δ(f − f0 ) + δ(f + f0 )] 2 Cas particulier Fe = 2f0 Repliement f0 = 5kHz et Fe = 100kHz f0 = 5kHz et Fe = 8kHz Filtre de restitution ΠFe (f ) Cours Traitement du Signal, 2010 – p. 44/82
  • 45. Plan du cours Chapitre 1 : Corrélations et Spectres Chapitre 2 : Filtrage Linéaire Chapitre 3 : Échantillonnage Échantillonnage idéal Échantillonnage réel Méthodes pratiques de restitution Chapitre 4 : Traitements Non-linéaires Chapitre 5 : Processus de Poisson Chapitre 6 : Signaux des télécommunications Cours Traitement du Signal, 2010 – p. 45/82
  • 46. Échantillonnage bloqueur Domaine temporel τ τ xb (t) = x(kTe )πτ t − − kTe = xe (t) ∗ πτ t − 2 2 k∈Z Domaine spectral τ −jπτ f Xb (f ) = e sinc(πτ f ) X(f − kFe ) Te k∈Z Spectre d’ordre 0 τ −jπτ f X0 (f ) = e sinc(πτ f )X(f ) Te Conditions de restitution Cours Traitement du Signal, 2010 – p. 46/82
  • 47. Échantillonnage réel Échantillonnage moyenneur voir TD Échantillonnage à porte analogique ... Exemples Téléphone fmax = 3400Hz et Fe = 8kHz Audio fmax = 15kHz et Fe = 44.1kHz Cours Traitement du Signal, 2010 – p. 47/82
  • 48. Plan du cours Chapitre 1 : Corrélations et Spectres Chapitre 2 : Filtrage Linéaire Chapitre 3 : Échantillonnage Échantillonnage idéal Échantillonnage réel Méthodes pratiques de restitution Chapitre 4 : Traitements Non-linéaires Chapitre 5 : Processus de Poisson Chapitre 6 : Signaux des télécommunications Cours Traitement du Signal, 2010 – p. 48/82
  • 49. Restitution Filtrage passe bas H(f ) = ΠFe (f ) Interpolation linéaire Filtre non causal Bloqueur d’ordre 0 Utilisé dans la quasi-totalité des applications Cours Traitement du Signal, 2010 – p. 49/82
  • 50. Plan du cours Chapitre 1 : Corrélations et Spectres Chapitre 2 : Filtrage Linéaire Chapitre 3 : Échantillonnage Chapitre 4 : Traitements Non-linéaires Introduction Quadrateur Quantification Chapitre 5 : Processus de Poisson Chapitre 6 : Signaux des télécommunications Cours Traitement du Signal, 2010 – p. 50/82
  • 51. Introduction Transformation sans mémoire y(t) = g [x(t)] Exemples Quadrateur y(t) = x2 (t) Quantification y(t) = xQ (t) Cours Traitement du Signal, 2010 – p. 51/82
  • 52. Plan du cours Chapitre 1 : Corrélations et Spectres Chapitre 2 : Filtrage Linéaire Chapitre 3 : Échantillonnage Chapitre 4 : Traitements Non-linéaires Introduction Quadrateur Quantification Chapitre 5 : Processus de Poisson Chapitre 6 : Signaux des télécommunications Cours Traitement du Signal, 2010 – p. 52/82
  • 53. Quadrateur Signaux déterministes Y (f ) = X(f ) ∗ X(f ) Exemples Sinusoïde : x(t) = A cos(2πf0 t) A2 A2 Y (f ) = δ(f ) + [δ(f − 2f0 ) + δ(f + 2f0 )] 2 4 Disparition de la fréquence f0 et apparition de la fréquence 2f0 Somme de sinusoïdes : Termes d’intermodulation Sinus cardinal : doublement de la largeur de bande Cours Traitement du Signal, 2010 – p. 53/82
  • 54. Quadrateur pour signaux aléatoires Théorème de Price Hypothèses (X1 , X2 ) vecteur Gaussien de moyenne nulle Y1 = g(X1 ) et Y2 = g(X2 ) Conclusion ∂E(Y1 Y2 ) ∂Y1 ∂Y2 =E ∂E(X1 X2 ) ∂X1 ∂X2 Application au quadrateur 2 RY (τ ) = 2RX (τ ) + K Cours Traitement du Signal, 2010 – p. 54/82
  • 55. Remarques Loi Gaussienne bivariée 1 1 T −1 p(x1 , x2 ) = exp − x Σ x 2π |Σ| 2 Stationnarité E [Y (t)Y (t − τ )] = g (x1 ) g (x2 ) p (x1 , x2 ) dx1 dx2 avec x1 = X(t), x2 = X(t − τ ) et RX (0) RX (τ ) Σ= RX (τ ) RX (0) Cours Traitement du Signal, 2010 – p. 55/82
  • 56. Détermination de K Moments d’une loi Gaussienne centrée E X 2n+1 = 0, E X 2n = [(2n−1)×(2n−3)...×3×1]σ 2n τ =0 E Y 2 (t) = E X 4 (t) = 3RX (0) = 2RX (0) + K 2 2 Autocorrélation 2 2 RY (τ ) = 2RX (τ ) + RX (0) Densité spectrale de puissance 2 sY (f ) = 2sX (f ) ∗ sX (f ) + RX (0)δ(f ) Cours Traitement du Signal, 2010 – p. 56/82
  • 57. Plan du cours Chapitre 1 : Corrélations et Spectres Chapitre 2 : Filtrage Linéaire Chapitre 3 : Échantillonnage Chapitre 4 : Traitements Non-linéaires Introduction Quadrateur Quantification Chapitre 5 : Processus de Poisson Chapitre 6 : Signaux des télécommunications Cours Traitement du Signal, 2010 – p. 57/82
  • 58. Quantification Principe ∆qi ∆qi xQ (t) = i∆qi = xi et xi − ≤ x(t) ≤ xi + 2 2 Définitions Pas de quantification ∆qi Quantification uniforme ∆qi = ∆q = 2Amax N Niveaux de quantification: xi Nombre de bits de quantification N = 2n Cours Traitement du Signal, 2010 – p. 58/82
  • 59. Erreur de quantification Hypothèse ǫ(t) suit la loi uniforme sur − ∆q , ∆q , i.e., N ≥ 28 2 2 Rapport signal sur bruit de quantification 2 σx SNRdB = 10 log10 2 σǫ 2 (∆q)2 Variance du bruit : σǫ = 12 2 A2 Sinusoïde : σx = 2 Conclusion SNRdB = 6n + 1.76 Cours Traitement du Signal, 2010 – p. 59/82
  • 60. Remarques Généralisation à un signal Gaussien 2Sσ = N ∆q ⇒ SNRdB = 6n + ... Quantification non uniforme Cours Traitement du Signal, 2010 – p. 60/82
  • 61. Plan du cours Chapitre 1 : Corrélations et Spectres Chapitre 2 : Filtrage Linéaire Chapitre 3 : Échantillonnage Chapitre 4 : Traitements Non-linéaires Chapitre 5 : Processus de Poisson Définition Signal des télégraphistes Introduction aux files d’attente Chapitre 6 : Signaux des télécommunications Cours Traitement du Signal, 2010 – p. 61/82
  • 62. Processus de Poisson homogène Notations Instants : {tj }j∈Z Nombre d’instants dans [t, t + τ [ : N (t, τ ) Hypothèses Stationnarité (régime établi) : Pn (τ ) = P [N (t, τ ) = n] est indépendante de t. Indépendance du passé et de l’avenir (non embouteillage) : si [t, t + τ [ et [t′ , t′ + τ ′ [ sont des intervalles disjoints, alors N (t, τ ) et N (t′ , τ ′ ) sont des va indépendantes. Non accumulation (non simultanéité des instants ti ) : si φ(τ ) = P [N (t, τ ) ≥ 2], alors φ(τ ) → 0 τ τ →0 Cours Traitement du Signal, 2010 – p. 62/82
  • 63. Conclusions Loi de N (t, τ ) N (t, τ ) suit une loi de Poisson de paramètre λτ , où λ est le nombre moyen d’instants dans un intervalle de largeur τ = 1. Loi des largeurs d’intervalles : Si Ln = tn+1 − tn , alors {Ln }n∈Z est une suite de va indépendantes de lois exponentielles de paramètre λ (utile pour la simulation) Loi des instants Si l’intervalle [0, t[ contient n instants t1 , ..., tn , alors chaque instant ti suit une loi uniforme sur [0, t[. Cours Traitement du Signal, 2010 – p. 63/82
  • 64. Plan du cours Chapitre 1 : Corrélations et Spectres Chapitre 2 : Filtrage Linéaire Chapitre 3 : Échantillonnage Chapitre 4 : Traitements Non-linéaires Chapitre 5 : Processus de Poisson Définition Signal des télégraphistes Introduction aux files d’attente Chapitre 6 : Signaux des télécommunications Cours Traitement du Signal, 2010 – p. 64/82
  • 65. Signal des télégraphistes Définition   A si t = 0  X(t) = A si N (0, t) pair   −A si N (0, t) impair où A est uniforme sur {−1, +1}. Stationnarité Moyenne E [X(t)] = 2P [X(t) = 1] − 1 = 0 Fonction d’autocorrélation E [X(t)X(t − τ )] = e−2λ|τ | , τ ∈R Cours Traitement du Signal, 2010 – p. 65/82
  • 66. Signal des télégraphistes Densité spectrale de puissance λ sX (f ) = 2 λ + π2f 2 Application Imagerie radar à synthèse d’ouverture (Imagerie SAR) Cours Traitement du Signal, 2010 – p. 66/82
  • 67. Plan du cours Chapitre 1 : Corrélations et Spectres Chapitre 2 : Filtrage Linéaire Chapitre 3 : Échantillonnage Chapitre 4 : Traitements Non-linéaires Chapitre 5 : Processus de Poisson Définition Signal des télégraphistes Introduction aux Files d’attente Chapitre 6 : Signaux des télécommunications Cours Traitement du Signal, 2010 – p. 67/82
  • 68. Introduction aux Files d’attente Hypothèses Un guichet Une file d’attente Arrivée des clients décrite par un processus de Poisson de paramètre λ Temps de service Ts ∼ E(µ) avec E(Ts ) = 1/µ Conclusion (admise) Probabilité d’avoir n clients dans le système à l’instant t P [X(t) = n] = (1 − Q)Qn , n ∈ N avec Q = λ/µ 1. Cours Traitement du Signal, 2010 – p. 68/82
  • 69. Nombres moyens de clients Dans le système Q L = E [X(t)] = 1−Q Dans la file d’attente Q2 LQ = E XQ (t) = 1−Q Résultat utile ∞ n x nx = 2 , |x| 1 (1 − x) n=1 Cours Traitement du Signal, 2010 – p. 69/82
  • 70. Temps de séjour moyen d’un client C Dans le système 1 W = E (T ) = E [E (T |An )] = µ(1 − Q) où An est l’événement “il y a n clients dans le système lorsque C y rentre”. Dans la file d’attente 1 Q WQ = E T Q = E (T ) − = µ µ(1 − Q) Formules de Little L LQ = =λ W WQ Cours Traitement du Signal, 2010 – p. 70/82
  • 71. Plan du cours Chapitre 1 : Corrélations et Spectres Chapitre 2 : Filtrage Linéaire Chapitre 3 : Échantillonnage Chapitre 4 : Traitements Non-linéaires Chapitre 5 : Processus de Poisson Chapitre 6 : Signaux des télécommunications Cours Traitement du Signal, 2010 – p. 71/82
  • 72. Signaux des télécommunications Chaîne de transmission Échantillonnage et Quantification Codage Mise en forme modulation ... Le signal NRZ : soit {An }n∈Z une suite de va binaires indépendantes avec P [An = 1] = 1 − P [An = 0] = p. Modèle 1 X(t) = At Modèle 2 Y (t) = X(t + φ) = At+φ Cours Traitement du Signal, 2010 – p. 72/82
  • 73. Signal NRZ (modèle 1) Moyenne E[X(t)] = E[At ] = p Fonction d’autocorrélation E[X(t)X(t − τ )] dépend de t Exemple : t = 1 , τ = − 1 et t = 3 , τ = − 1 . 4 2 4 2 Cours Traitement du Signal, 2010 – p. 73/82
  • 74. Signal NRZ (modèle 2) Moyenne E[Y (t)] = p. Fonction d’autocorrélation E[Y (t)Y (t − τ )] = p2 + (p − p2 )Λ1 (τ ) Cours Traitement du Signal, 2010 – p. 74/82
  • 75. Preuves Moyenne E[Y (t)] = E[At+φ ] = E[φ E[At+φ |φ]] = E[p] = p. CQFD Cours Traitement du Signal, 2010 – p. 75/82
  • 76. Preuves Fonction d’autocorrélation E[Y (t)Y (t − τ )] = E[At+φ At−τ +φ ] = E[φ E[At+φ At−τ +φ |φ]] 1 = E[At+φ At−τ +φ ]dφ 0 t+1 = E[Au Au−τ ]du t 1 = E[A0 Au−τ ]du. 0 Cours Traitement du Signal, 2010 – p. 76/82
  • 77. Preuves τ ≤ −1 1 1 E[A0 Au−τ ]du = E[A0 ]E[Au−τ ]du 0 0 2 =p . −1 ≥ τ ≥ 0 1 1+τ 1 E[A0 Au−τ ]du = pdu + p2 du 0 0 1+τ = p(1 + τ ) − p2 τ. Cours Traitement du Signal, 2010 – p. 77/82
  • 78. Signal NRZ (modèle 2) Moyenne E[Y (t)] = p. Fonction d’autocorrélation E[Y (t)Y (t − τ )] = p2 + (p − p2 )Λ1 (τ ) Cours Traitement du Signal, 2010 – p. 78/82
  • 79. Généralisation X(t) = At/T , Y (t) = X(t + φ) Moyenne E[Y (t)] = p. Fonction d’autocorrélation E[Y (t)Y (t − τ )] = p2 + (p − p2 )ΛT (τ ). Densité spectrale de puissance sY (f ) = p2 δ(f ) + (p − p2 )T sinc2 (πT f ) 2 Bande passante : B = T (si T ց, le débit ր et B ր) Cours Traitement du Signal, 2010 – p. 79/82
  • 80. Signal Biphase Formes d’onde T m1 (t) = 2ΠT /2 t− − 1, m0 (t) = −m1 (t) 4 Moyenne : E[X(t)] = 0 Fonction d’autocorrélation E[X(t)X(t − τ )] = R1 (τ ) + R2 (τ ) avec R1 (τ ) = k∈Z m(τ − kT ) périodique, R2 (τ ) de support [−T, +T ], et m(t) = 2(2p − 1)2 ΛT /2 (τ ) − (2p − 1)2 ΠT (τ ) Cours Traitement du Signal, 2010 – p. 80/82
  • 81. Signal Biphase Densité spectrale de puissance sX (f ) = s1 (f ) + s2 (f ) avec s1 (f ) spectre de raies k k s1 (f ) = M δ f− T T k∈Z et s2 (f ) spectre continu πT f sin4 2 s2 (f ) = [1 − (2p − 1)2 ] 2 πT f 2 Cours Traitement du Signal, 2010 – p. 81/82
  • 82. Remarques Fonction M 2k M =0 T 2k + 1 4 (2p − 1)2 M = 2 T π (2k + 1)2 pour k ∈ Z. récupération de l’horloge Cours Traitement du Signal, 2010 – p. 82/82