Le traitement du signal et ses applications

Introduction

Le traitement du signal est la discipline qui développe et étudie les techniques de traitement, d’analyse et d’interprétation des signaux. Parmi les types d’opérations possibles sur ces signaux, on peut dénoter le contrôle, le filtrage, la compression de données, la transmission de données, le débruitage, la déconvolution, la prédiction, l’identification, la classification, etc.

Bien que cette discipline trouve son origine dans les sciences de l’ingénieur (particulièrement l’électronique et l’automatique), elle fait aujourd’hui largement appel à de nombreux domaines des mathématiques comme la théorie du signal, les processus stochastiques, les espaces vectoriels et l’algèbre linéaire et des mathématiques appliquées, notamment la théorie de l’information, l’optimisation ou encore l’analyse numérique.

Généralités

Analyse temps-fréquence de fonctions sinusoidales via transformée de Fourier à court terme.

Les signaux à traiter peuvent provenir de sources très diverses, mais la plupart sont des signaux électriques ou devenus électriques à l’aide de capteurs et transducteurs (microphones, rétines, senseurs thermiques, optiques, de pression, de position, de vitesse d’accélération et en général de toutes les grandeurs physiques et chimiques).

On distingue essentiellement les signaux analogiques qui sont produits par divers capteurs, amplificateurs, convertisseurs numérique-analogique; les signaux numériques issus d’ordinateurs, de terminaux, de la lecture d’un support numérique ou d’une numérisation par un convertisseur analogique-numérique.

Le traitement peut être fait, sans numériser les signaux, par des circuits électroniques analogiques ou aussi des systèmes optiques (traitement du signal optique). Il est de plus en plus souvent réalisé par traitement numérique du signal, à l’aide d’ordinateurs, de microprocesseurs embarqués, de microprocesseurs spécialisés nommés DSP, de circuits reconfigurables (FPGA) ou de composants numériques dédiés (ASIC).

Il existe plusieurs branches particulières du traitement du signal, en fonction de la nature des signaux considérés. En particulier :

• Traitement de la parole (ou plus généralement du son) – pour l’analyse, la compression, la synthèse et la reconnaissance de la parole
• Traitement d’images – pour l’analyse, la restauration et la compression d’images fixes
• Traitement de la vidéo – pour l’analyse et la compression de séquences vidéo

Le traitement du signal peut avoir différentes finalités :

• la détection d’un signal
• l’estimation de grandeurs à mesurer sur un signal
• le codage et la compression du signal pour son stockage et sa transmission
• l’amélioration de sa qualité (restauration) selon des critères physiologiques (pour l’écoute et la visualisation).

Le traitement d’un signal effectué dépend du but poursuivi. En particulier, les notions de signal et de bruit sont subjectives, elles dépendent de ce qui intéresse l’utilisateur. On utilise différentes mesures représentatives de la qualité d’un signal et de l’information contenue :

• Le rapport signal sur bruit, notion utilisée très fréquemment mais équivoque puisque tout dépend de ce qui est considéré comme signal et comme bruit.
• Le nombre de bits effectifs (ENOB) qui est une mesure de la qualité de conversion analogique-numérique.
• L’information de Fisher, utile en particulier en estimation de paramètres. Elle peut être relative à un seul ou plusieurs paramètres (matrice d’information de Fisher).
• L’entropie grandeur issue de la physique statistique et de la théorie de l’information (travaux de Shannon), utilisée dans les opérations de codage. Elle est une mesure de l’information « intrinsèque » du signal.