Traitement du signal

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 detraitement du signal, Dunod, 5me édition, 2004.

Athanasios Papoulis and S. Unnikrishna Pillai, Probability,Random Variable and Stochastic Processes, McGraw HillHigher Education, 4th edition, 2002.

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

DéfinitionsFormule directe

X(f) =

x(t) exp (−j2πft) dt

Formule inverse

x(t) =

X(f) exp (j2πft) df

HypothèsesTF sur L1 ou L2

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(−j2πft0)X(f)

TF [x(t) exp(j2πf0t)] = X(f − f0)

Similitude

TF [x(at)] =1

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

ConjugaisonTF [x∗(t)] = X∗(−f)

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(−j2πft0), TF [exp(j2πf0t)] = δ(f − f0)

Plan du cours

Classe 1 : signaux déterministes à énergie finie

Classe 2 : signaux déterministes périodiques àpuissance finie

Classe 3 : signaux déterministes non périodiques àpuissance finie

Classe 4 : signaux aléatoires stationnaires

Signaux déterministes à énergie finie

Définition E =∫R|x(t)|2dt =

∫R|X(f)|2df < ∞

Fonction d’autocorrélation

Rx(τ) =

x(t)x∗(t− τ)dt = 〈x(t), x(t− τ)〉

Fonction d’intercorrélation

Rxy(τ) =

x(t)y∗(t− τ)dt = 〈x(t), y(t− τ)〉

Produit scalaire

〈x(t), y(t)〉 =

x(t)y∗(t)dt

Densité spectrale d’énergie

Définitionsx(f) = TF [Rx(τ)]

Propriétésx(f) = |X(f)|2

Preuve

sx(f) =

x(t)x∗(t− τ)dt

]exp(−j2πfτ)dτ

x∗(t− τ) exp(−j2πfτ)dτ

]x(t)dt

x∗(u) exp [j2πf(u− t)] du

]x(t)dt

= X∗(f)X(f)Cours Traitement du Signal, 2010 – p. 11/82

Exemple

Fenêtre rectangulaire

x(t) = ΠT (t) =

{1 si − T

2 < t < T2

0 sinon

Rx(τ) = TΛT (τ)

Densité spectrale d’énergie

sx(f) = T 2sinc2(πTf) = |X(f)|2

Signaux déterministes périodiques

Définition P = 1T0

∫ T0/2−T0/2

|x(t)|2dt < ∞

Rx(τ) =1

∫ T0/2

−T0/2

x(t)x∗(t− τ)dt = 〈x(t), x(t− τ)〉

Rxy(τ) =1

∫ T0/2

−T0/2

x(t)y∗(t− τ)dt = 〈x(t), y(t− τ)〉

Produit scalaire

〈x(t), y(t)〉 =1

∫ T0/2

−T0/2

x(t)y∗(t)dt

Densité spectrale de puissance

Propriété

sx(f) =∑

|ck|2δ(f − kf0)

avec x(t) =∑

k∈Z ck exp(j2πkf0t).

Preuve

Rx(τ) =∑

ckc∗l exp (j2πlf0τ)

∫ T0/2

−T0/2

exp [j2π(k − l)f0t] dt

|ck|2 exp(j2πkf0τ)

Exemple

Sinusoïdex(t) = A cos(2πf0t)

Rx(τ) =A2

2cos(2πf0τ)

sx(f) =A2

4[δ(f − f0) + δ(f + f0)]

Signaux déterministes à puissance finie

Définition P = limT→∞

∫ T/2−T/2 |x(t)|

2dt < ∞

Rx(τ) = limT→∞

∫ T/2

−T/2

x(t)x∗(t− τ)dt = 〈x(t), x(t− τ)〉

Rxy(τ) = limT→∞

∫ T/2

−T/2

x(t)y∗(t− τ)dt = 〈x(t), y(t− τ)〉

Produit scalaire

〈x(t), y(t)〉 = limT→∞

∫ T/2

−T/2

x(t)y∗(t)dt

Propriété

sx(f) = limT→∞

T|XT (f)|

XT (f) =

∫ T/2

−T/2

x(t) exp(−j2πft)dt

Exemple

x(t) = A1 cos(2πf1t) + A2 cos(2πf2t)

avec f1 et f2 non commensurables.

Signaux aléatoires stationnaires

DéfinitionMoyenne : E[x(t)] indépendant de t

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

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

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.

Puissance moyenne

P = Rx(0) = E[|x(t)|2

sx(f)df

Densité spectrale de puissanceDéfinition

sx(f) = TF [Rx(τ)]

Propriété

sx(f) = limT→∞

TE[|XT (f)|

mais en général X(f) n’existe pas !

Exemples

Exemple 1 : Sinusoïde

x(t) = A cos(2πf0t+ θ)

θ va uniforme sur [0, 2π].Fonction d’autocorrélation

Rx(τ) =A2

2cos(2πf0τ)

sx(f) =A2

4[δ(f − f0) + δ(f + f0)]

Exemples

Exemple 2 : Bruit blancFonction d’autocorrélation

Rx(τ) =N0

2δ(τ)

sx(f) =N0

Plan du cours

Propriétés deRx(τ )

Symétrie Hermitienne : R∗x(−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 desapplications, on a

Rx(τ) = R1(τ) +R2(τ)

où R1(τ) est une somme de fonctions périodiques etR2(τ) tend vers 0 lorsque τ → ∞.

Propriétés desx(f )

DSP réellesx(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

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

Plan du cours

Introduction

Relations de Wiener-Lee

Formule des interférences

Exemples

Chapitre 6 : Signaux des télécommunicationsCours Traitement du Signal, 2010 – p. 25/82

Introduction

On cherche une opération avec les propriétés suivantes

Linéarité : T [a1x1(t) + a2x2(t)] = a1T [x1(t)] + a2T [x2(t)]

Invariance dans le tempsSi y(t) = T [x(t)] alors T [x(t− t0)] = y(t− t0)

Stabilité BIBOSi |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)

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

Réponse impulsionnelle et Transmittance

H(f) = TF [h(t)] =

h(t) exp(−j2πft)dt

Si x(t) = δ(t) alors y(t) = h(t). Ceci permet d’obtenir laseule réponse impulsionnelle possible.

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

(3) H(f) = −jH̃(f), où H̃(f) = H(f) ∗ 1πf est la

transformée de Hilbert de H (preuve dans le coursmanuscrit).

Écriture équivalente

En écrivant H(f) = Hr(f) + jHi(f), on obtient

Hr(f) =Hi(f) ∗1

Hi(f) =−Hr(f) ∗1

Identifier une relation de filtrage linéaire

Signaux déterministes

y(t) = x(t) ∗ h(t) ⇔ Y (f) = X(f)H(f)

Signaux aléatoires : Isométrie fondamentale

Si x(t)I↔ ej2πft, alors y(t)

I↔ ej2πftH(f)

Exemplesy(t) =

∑nk=1 akx(t− tk)

y(t) = x′(t)

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

Plan du cours

Introduction

Exemples

Relations de Wiener Lee

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

Intercorrélation

Ryx(τ) = Rx(τ) ∗ h(τ)

Autocorrélation

Ry(τ) = Rx(τ) ∗ h(τ) ∗ h∗(−τ)

Preuves (signaux à énergie finie)

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

Intercorrélation

Ryx(τ) =

y(u)x∗(u− τ)du

Y (f)[e−j2πfτX(f)

]∗df

X(f)H(f)[ej2πfτX∗(f)

sx(f)H(f)ej2πfτdf = TF−1[sx(f)H(f)] CQFD

Preuve (signaux à puissance finie)

Intercorrélation

Ryx(τ) =1

∫ T0/2

−T0/2

y(t)x∗(t− τ)dt

∫ T0/2

−T0/2

h(v)x(t− v)dv

]x∗(t− τ)dt

∫ T0/2

−T0/2

x(t− v)x∗(t− τ)dt

h(v)Rx(τ − v)dv CQFD

etc ...

Preuves (signaux aléatoires)

Intercorrélation

Ryx(τ) =E[y(t)x∗(t− τ)]

=〈y(t), x(t− τ)〉

=〈ej2πftH(f), ej2πf(t−τ)〉

ej2πftH(f)e−j2πf(t−τ)sX(f)df

H(f)ej2πfτsX(f)df

= h(τ) ∗Rx(τ) CQFD

etc ...

Plan du cours

Introduction

Exemples

Hypothèses

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

Conclusion

Ry1y2(τ) =

sx(f)H1(f)H∗2(f)e

j2πfτdf

Preuve

Ry1y2(τ) =

y1(t)y∗2(t− τ)dt

Y1(f)[e−j2πfτY2(f)

]∗df

H1(f)X(f)ej2πfτH∗2 (f)X

∗(f)df CQFD

Plan du cours

Introduction

Exemples

Filtre Passe-basTransmittance

H(f) = ΠF (f)

Réponse impulsionnelle

h(t) = F sinc (πFt)

non causale et /∈ L1 ⇒ troncature + décalage

Filtres liaisons montante et descendante d’une chaînede transmission

Plan du cours

Échantillonnage idéal

Échantillonnage réel

Méthodes pratiques de restitution

Signaux à énergie finieDomaine temporel

xe(t) =∑

x(kTe)δ(t− kTe) = x(t)∑

δ(t− kTe)

Domaine Fréquentiel

Xe(f) = X(f) ∗ Fe

δ(f − kFe) = Fe

X(f − kFe)

Périodisation du spectre

Commentaires

Théorème de Shannon

Fe > 2fmax

RestitutionXr(f) = Xe(f)Πfe(f)

Interpolateur de Shannon

xr(t) = Fe

x(kTe)sinc [πFe(t− kTe)]

Généralisation

xr(t) =∑

x(kTe)h (t− kTe)

Commentaires

Fréquences normalisées

Fe > 2fmax ⇔ f̃ =f

Repliement et filtre anti-repliement

Échantillonnage d’une sinusoïde

Signal et spectre

x(t) = A cos(2πf0t) ⇔ X(f) =A

2[δ(f − f0) + δ(f + f0)]

Cas particulierFe = 2f0

Repliement

f0 = 5kHz et Fe = 100kHz

f0 = 5kHz et Fe = 8kHz

Filtre de restitution ΠFe(f)

Plan du cours

Échantillonnage bloqueur

Domaine temporel

xb(t) =∑

x(kTe)πτ

2− kTe

)= xe(t) ∗ πτ

Domaine spectral

Xb(f) =τ

Tee−jπτfsinc(πτf)

X(f − kFe)

Spectre d’ordre 0

X0(f) =τ

Tee−jπτfsinc(πτf)X(f)

Conditions de restitution

Échantillonnage moyenneurvoir TD

Échantillonnage à porte analogique...

ExemplesTéléphone

fmax = 3400Hz et Fe = 8kHz

Audiofmax = 15kHz et Fe = 44.1kHz

Plan du cours

Restitution

Filtrage passe bas

H(f) = ΠFe(f)

Interpolation linéaireFiltre non causal

Bloqueur d’ordre 0Utilisé dans la quasi-totalité des applications

Plan du cours

Introduction

Quadrateur

Quantification

Introduction

Transformation sans mémoire

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

ExemplesQuadrateur

y(t) = x2(t)

Quantificationy(t) = xQ(t)

Plan du cours

Introduction

Quadrateur

Quantification

Quadrateur

Signaux déterministes

Y (f) = X(f) ∗X(f)

ExemplesSinusoïde : x(t) = A cos(2πf0t)

Y (f) =A2

2δ(f) +

4[δ(f − 2f0) + δ(f + 2f0)]

Disparition de la fréquence f0 et apparition de lafréquence 2f0Somme de sinusoïdes : Termes d’intermodulationSinus cardinal : doublement de la largeur de bande

Quadrateur pour signaux aléatoires

Théorème de PriceHypothèses(X1, X2) vecteur Gaussien de moyenne nulleY1 = g(X1) et Y2 = g(X2)

Conclusion

∂E(Y1Y2)

∂E(X1X2)= E

(∂Y1∂X1

∂Y2∂X2

Application au quadrateur

RY (τ) = 2R2X(τ) +K

Remarques

Loi Gaussienne bivariée

p(x1, x2) =1

2π√

|Σ|exp

2xTΣ−1

Stationnarité

E [Y (t)Y (t− τ)] =

∫ ∫g (x1) g (x2) p (x1, x2) dx1dx2

avec x1 = X(t), x2 = X(t− τ) et

(RX(0) RX(τ)

RX(τ) RX(0)

Détermination deK

Moments d’une loi Gaussienne centrée

E(X2n+1

)= 0, E

)= [(2n−1)×(2n−3)...×3×1]σ2n

τ = 0

E[Y 2(t)

[X4(t)

]= 3R2

X(0) = 2R2X(0) +K

Autocorrélation

RY (τ) = 2R2X(τ) +R2

sY (f) = 2sX(f) ∗ sX(f) +R2X(0)δ(f)

Plan du cours

Introduction

Quadrateur

Quantification

Principe

xQ(t) = i∆qi = xi et xi −∆qi2

≤ x(t) ≤ xi +∆qi2

DéfinitionsPas de quantification ∆qi

Quantification uniforme ∆qi = ∆q = 2Amax

Niveaux de quantification: xiNombre de bits de quantification N = 2n

Erreur de quantification

Hypothèse

ǫ(t) suit la loi uniforme sur[−∆q

2 , ∆q2

], i.e., N ≥ 28

Rapport signal sur bruit de quantification

SNRdB = 10 log10

(σ2xσ2ǫ

Variance du bruit : σ2ǫ = (∆q)2

Sinusoïde : σ2x = A2

ConclusionSNRdB = 6n+ 1.76

Remarques

Généralisation à un signal Gaussien

2Sσ = N∆q ⇒ SNRdB = 6n+ ...

Quantification non uniforme

Plan du cours

Définition

Signal des télégraphistes

Introduction aux files d’attente

Processus de Poisson homogène

NotationsInstants : {tj}j∈ZNombre d’instants dans [t, t+ τ [ : N(t, τ)

HypothèsesStationnarité (régime établi) : Pn(τ) = P [N(t, τ) = n]est indépendante de t.Indépendance du passé et de l’avenir (nonembouteillage) : si [t, t+ τ [ et [t′, t′ + τ ′[ sont desintervalles disjoints, alors N(t, τ) et N(t′, τ ′) sont desva indépendantes.Non accumulation (non simultanéité des instants ti) :si φ(τ) = P [N(t, τ) ≥ 2], alors φ(τ)

τ →τ→0

Conclusions

Loi de N(t, τ)N(t, τ) suit une loi de Poisson de paramètre λτ , où λ estle nombre moyen d’instants dans un intervalle delargeur τ = 1.

Loi des largeurs d’intervalles :Si Ln = tn+1 − tn, alors {Ln}n∈Z est une suite de vaindépendantes de lois exponentielles de paramètre λ(utile pour la simulation)

Loi des instantsSi l’intervalle [0, t[ contient n instants t1, ..., tn, alorschaque instant ti suit une loi uniforme sur [0, t[.

Plan du cours

Définition

Introduction aux files d’attente

Définition

X(t) =

A si t = 0

A si N(0, t) pair−A si N(0, t) impair

où A est uniforme sur {−1,+1}.

StationnaritéMoyenne

E [X(t)] = 2P [X(t) = 1]− 1 = 0

E [X(t)X(t− τ)] = e−2λ|τ |, τ ∈ R

sX(f) =λ

λ2 + π2f2

ApplicationImagerie radar à synthèse d’ouverture (Imagerie SAR)

Plan du cours

Définition

Introduction aux Files d’attente

Hypothèses

Un guichet

Une file d’attente

Arrivée des clients décrite par un processus dePoisson 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.

Nombres moyens de clients

Dans le système

L = E [X(t)] =Q

Dans la file d’attente

LQ = E[XQ(t)

Résultat utile

∞∑

nxn =x

(1− x)2, |x| < 1

Temps de séjour moyen d’un clientC

Dans le système

W = E (T ) = E [E (T |An)] =1

µ(1−Q)

où An est l’événement “il y a n clients dans le systèmelorsque C y rentre”.

Dans la file d’attente

WQ = E(TQ)= E (T )−

µ(1−Q)

Formules de Little

WQ= λ

Plan du cours

Signaux des télécommunications

Chaîne de transmissionÉchantillonnage et QuantificationCodageMise en formemodulation...

Le signal NRZ : soit {An}n∈Z une suite de va binairesindépendantes avec P [An = 1] = 1− P [An = 0] = p.

Modèle 1

X(t) = At

Modèle 2

Y (t) = X(t+ φ) = At+φ

Signal NRZ (modèle1)

MoyenneE[X(t)] = E[At] = p

E[X(t)X(t− τ)] dépend de t

Exemple : t = 14 , τ = −1

2 et t = 34 , τ = −1

MoyenneE[Y (t)] = p.

E[Y (t)Y (t− τ)] = p2 + (p− p2)Λ1(τ)

Preuves

Moyenne

E[Y (t)] = E[At+φ]

= E[φE[At+φ|φ]]

= E[p]

= p. CQFD

Preuves

E[Y (t)Y (t− τ)] = E[At+φAt−τ+φ]

= E[φE[At+φAt−τ+φ|φ]]

E[At+φAt−τ+φ]dφ

∫ t+1

E[AuAu−τ ]du

E[A0Au−τ ]du.

Preuves

τ ≤ −1

E[A0Au−τ ]du =

E[A0]E[Au−τ ]du

−1 ≥ τ ≥ 0

E[A0Au−τ ]du =

∫ 1+τ

= p(1 + τ)− p2τ.

E[Y (t)Y (t− τ)] = p2 + (p− p2)Λ1(τ)

Généralisation

X(t) = At/T , Y (t) = X(t+ φ)

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

sY (f) = p2δ(f) + (p− p2)T sinc2(πTf)

Bande passante : B = 2T (si T ց, le débit ր et B ր)

Signal Biphase

Formes d’onde

m1(t) = 2ΠT/2

)− 1, m0(t) = −m1(t)

Moyenne : E[X(t)] = 0

E[X(t)X(t− τ)] = R1(τ) + R2(τ)

avec R1(τ) =∑

k∈Zm(τ − kT ) périodique, R2(τ) desupport [−T,+T ], et

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

Signal Biphase

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

avec s1(f) spectre de raies

s1(f) =∑

(f −

et s2(f) spectre continu

s2(f) = [1− (2p− 1)2]sin4

(πTf2

Remarques

Fonction M

(2k + 1

π2(2p− 1)2

(2k + 1)2

pour k ∈ Z.☞ récupération de l’horloge

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