Signaux électriques sur l'écran d'un oscilloscope : signal rectanglaire (haut), signal harmonique ou sinusoïdal (bas).

Un signal électrique est une grandeur électrique dont la variation dans le temps transporte une information, d'une source à une destination^[1].

La grandeur électrique que l'on considère pour la transmission et le traitement du signal peut être directement la différence de potentiel ou l'intensité d'un courant électrique ; ou bien une modulation de l'amplitude, de la fréquence ou de la phase d'une variation périodique de ces grandeurs, qu'on appelle porteuse ; dans les communications numériques par modem des règles complexes régissent la modulation afin d'occuper au mieux la largeur de bande allouée.

La communication à une distance du même ordre de grandeur ou supérieure à la longueur d'onde minimale du signal oblige à se préoccuper de la théorie des lignes de transmission.

Classes de signaux électriques

On distingue généralement les signaux électriques par la nature de l'information qu'ils transmettent.

• Dans un signal analogique, la valeur de la grandeur électrique peut varier arbitrairement dans les limites définies par le canal de transmission^[2] :
  • dans le cas général, cette grandeur varie dans le temps, s = F(t) ;
  • dans un signal de synchronisation^[3], en particulier un signal d'horloge, une forme d'onde prédéterminée transmet l'information sur le moment où doit survenir un évènement électrique, t = F(s).
• Un signal logique transmet une information qui ne peut avoir que deux valeurs, vrai ou faux^[4],
  • un signal numérique transmet des informations prises dans un ensemble fini de valeurs possibles^[5].

Par ailleurs,

• si on peut lire la valeur transmise à tout moment, le signal est asynchrone,
• si la lecture de la valeur transmise ne doit se faire qu'aux instants déterminés par un signal de synchronisation, le signal est synchrone.

Le signal peut transmettre une information soit continue, soit discrète. À l'heure actuelle, bien qu'il existe des signaux analogiques discrets et des signaux numériques continus, on trouve principalement des signaux analogiques continus — à l'exception notable de l'image vidéo analogique, qui est discrète et synchrone — et des signaux numériques discrets.

La conversion d'un signal continu en signal discret se fait par un échantillonnage, où la valeur instantanée du signal est relevée à intervalles réguliers, suivi d'une quantification, qui fait correspondre à cette valeur la plus appropriée des valeurs possibles, et d'un codage, qui transforme cette valeur en un arrangement de valeurs logiques.

Signaux électriques analogiques

Les signaux électriques analogiques reflètent le plus souvent les variations de grandeurs physiques, par exemple, la température ou la pression acoustique. Des transducteurs ou capteurs effectuent la transformation, en général aussi linéaire que possible, de la grandeur d'origine en signal électrique.

Les modèles mathématiques qui rendent compte des signaux analogiques considèrent des valeurs définies sur l'ensemble des nombres réels, de moins l'infini à plus l'infini, avec une précision temporelle infinie, et dans un temps infini. Les signaux électriques réels qui passent par des dispositifs matériels sont nécessairement limités :

• en amplitude ;
• en fréquence par la bande passante des appareils ;
• en durée.

En outre, tous les signaux analogiques réels sont affectés par le bruit de fond. Le rapport signal sur bruit est un des indicateurs de la qualité de la transmission, au même titre que le taux de distorsion harmonique totale et l'intermodulation.

Signaux logiques

Des normes doivent définir les tensions électriques ou les transitions correspondant à la valeur vrai, ou 1 et à la valeur faux ou 0.

Les caractéristiques des circuits indiquent le fan-out, c'est-à-dire la capacité de ceux-ci à fournir ou absorber du courant pour maintenir à leur sortie la tension correspondant à la valeur qu'ils doivent transmettre. La composition de circuits avec CMOS et TTL nécessite des adaptations pour éviter les niveaux intermédiaires, dont la signification est indéterminée.

Le codage en ligne concerne des signaux en transmission série, et utilisent le plus souvent des circuits d'interface.

Histoire

L'idée d'utiliser l'électricité pour transmettre des signaux suit de près sa découverte, au début du XVII^e siècle. En 1774, Georges-Louis Le Sage invente un télégraphe fonctionnant à l'électricité statique avec vingt-quatre conducteurs en parallèle. Les inventions de la pile électrique par Volta et de l'électroaimant par François Arago vont permettre le développement du télégraphe, qui se développe de manière fulgurante à partir de 1840 avec le système de Samuel Morse, qui utilise un signal numérique série et non plus parallèle comme ses prédécesseurs. La télégraphie sans fil, avec une porteuse haute-fréquence interrompue, se développe à partir des travaux de Guglielmo Marconi dans les premières années du XX^e siècle. Le téléphone qu'invente Alexander Graham Bell en 1876 marque l'apparition d'un signal électrique analogique. À partir du signal d'appel du téléphone se développent de nombreux signaux logiques pour les portes d'entrées et autres applications du même ordre, perfectionnées en tableaux indicateurs. C'est de la même époque que date l'invention du signal d'horloge, qui synchronise des cadrans répartis dans une ville ou le long d'une ligne de chemin de fer, et les premiers automates, qui traitent des signaux logiques, appliquant les règles de l'algèbre de Boole^[7].

L'invention de la triode permettant l'amplification du signal permet le développement du téléphone à longue distance et l'apparition de la radiodiffusion des sons, à partir de 1920.

C'est dans la seconde moitié du XX^e siècle que le développement de l'électronique permet la conversion de signaux analogiques en signaux numériques, à partir des considérations théoriques de Harry Nyquist et Claude Shannon dont le théorème régit l'échantillonnage du signal, avant sa quantification.

Annexes

Références