Le smartphone est un téléphone mobile qui associe les fonctions d'un téléphone, d'un ordinateur et d'un appareil de communication dans un appareil compact. Il peut téléphoner, échanger des données sur Internet, photographier, filmer, enregistrer des sons, afficher des informations, déterminer une position géographique et exécuter des applications.

Cette polyvalence repose sur l'association de nombreux circuits électroniques, de capteurs, de mémoires, d'un écran, de systèmes de communication et d'une batterie. Tous ces éléments doivent fonctionner ensemble tout en occupant très peu de place et en consommant le moins d'énergie possible.

Le cœur électronique

Le fonctionnement du smartphone repose principalement sur une puce complexe qui regroupe plusieurs unités de traitement et de contrôle. Cette intégration permet de réunir sur un même composant des fonctions qui auraient autrefois nécessité plusieurs circuits séparés.

Une partie de cette puce exécute les instructions du système et des applications. Une autre est spécialisée dans le traitement graphique et l'affichage des images. D'autres circuits internes contrôlent les échanges avec la mémoire, les interfaces et différents périphériques.

Cette organisation permet au smartphone d'effectuer simultanément de nombreuses tâches : afficher une page Web, traiter les données d'un capteur, maintenir une communication sans fil et exécuter plusieurs applications en arrière-plan.

La mémoire

Le smartphone utilise plusieurs formes de mémoire électronique, qui ne jouent pas toutes le même rôle.

Une mémoire de travail rapide conserve temporairement les données nécessaires aux applications en cours d'exécution. Elle est utilisée en permanence par le système pour conserver les programmes et les informations dont le processeur a besoin immédiatement.

Une mémoire non volatile conserve les informations lorsque le smartphone est éteint. Elle contient notamment le système d'exploitation, les applications, les photographies, les vidéos et les documents.

Les capacités de stockage ont considérablement augmenté avec la miniaturisation des mémoires. Un smartphone peut aujourd'hui conserver plusieurs centaines de gigaoctets de données dans une très petite quantité de matière électronique.

L'écran

L'écran constitue à la fois un dispositif d'affichage et, dans la majorité des smartphones, une interface de commande.

Une dalle d'affichage est constituée d'un très grand nombre de pixels. Chaque pixel peut produire différentes intensités et couleurs afin de former les images affichées. Les écrans LCD utilisent des cristaux liquides associés à un système de rétroéclairage, tandis que les écrans OLED utilisent des composants électroluminescents capables d'émettre directement leur lumière.

Une couche tactile placée au-dessus de l'écran détecte la position des doigts. Le système peut ainsi transformer un contact ou un déplacement en commande : toucher une icône, faire défiler une page, déplacer un élément ou écrire sur un clavier virtuel.

Les capteurs

Le smartphone possède plusieurs capteurs qui lui permettent de mesurer son environnement et ses propres mouvements.

• Accéléromètre : mesure les accélérations et permet notamment de détecter les mouvements et l'orientation du téléphone.
• Gyroscope : mesure les rotations et les changements d'orientation.
• Magnétomètre : mesure le champ magnétique terrestre et permet de déterminer une direction comme une boussole.
• Capteur de proximité : détecte la présence d'un objet proche de l'écran, notamment pendant un appel.
• Capteur de luminosité : mesure la lumière ambiante afin d'adapter automatiquement l'affichage.
• Récepteur GNSS : reçoit les signaux des systèmes de positionnement par satellites, notamment GPS, Galileo, GLONASS ou BeiDou.

Ces capteurs peuvent également être utilisés simultanément. Le système combine par exemple les mesures de l'accéléromètre, du gyroscope et du magnétomètre pour déterminer plus précisément l'orientation et les mouvements du téléphone.

La photographie et la vidéo

Les caméras numériques utilisent des capteurs constitués de millions de petites cellules photosensibles. Chaque cellule transforme la lumière reçue en un signal électrique qui permet de reconstruire l'image.

Le traitement de l'image ne se limite cependant pas au capteur. Des circuits spécialisés et des algorithmes corrigent l'exposition, les couleurs, le bruit et la netteté, puis assemblent les informations nécessaires pour produire la photographie finale.

Les smartphones possèdent souvent plusieurs caméras afin de disposer de différentes focales ou de produire des effets de profondeur. Certaines fonctions permettent également de stabiliser les images et les vidéos en compensant les mouvements du téléphone.

Le son

Le smartphone transforme les sons en informations numériques grâce à ses microphones. Les signaux électriques produits par les microphones sont convertis en données numériques puis traités par le système.

Ces données peuvent être enregistrées, transmises lors d'un appel ou utilisées par une application. Pour restituer un son, le processus inverse transforme les données numériques en un signal électrique destiné aux haut-parleurs ou aux écouteurs.

Des circuits spécialisés assurent notamment l'amplification, la conversion entre signaux analogiques et numériques et le traitement du signal audio.

Les communications sans fil

Le smartphone possède plusieurs systèmes de communication radio, chacun étant conçu pour un usage particulier.

Le réseau mobile permet de communiquer sur de grandes distances grâce aux antennes des opérateurs. Les générations successives de réseaux, comme la 4G et la 5G, ont augmenté les débits et réduit certains délais de communication.

Le Wi-Fi permet de relier le smartphone à un réseau local et à Internet. Le Bluetooth est principalement utilisé pour les communications à courte distance avec des accessoires comme des écouteurs, des montres ou des systèmes audio.

Le NFC fonctionne à très courte distance. Il permet notamment l'identification, certains échanges de données et les paiements sans contact.

La localisation

Le smartphone peut déterminer sa position grâce aux systèmes de navigation par satellites. Son récepteur mesure le temps nécessaire aux signaux provenant de plusieurs satellites pour parvenir jusqu'à lui.

La position peut également être améliorée en combinant ces informations avec celles provenant des réseaux mobiles, des réseaux Wi-Fi et des capteurs de mouvement.

Cette combinaison permet au téléphone de conserver une estimation de sa position même lorsque les signaux satellites sont moins accessibles, par exemple à l'intérieur d'un bâtiment.

La batterie et la gestion de l'énergie

L'énergie du smartphone est généralement fournie par une batterie rechargeable au lithium-ion. Sa tension et son courant doivent être adaptés aux besoins très différents des circuits internes.

Un système électronique spécialisé surveille la batterie pendant la charge et la décharge. Il mesure notamment sa tension et sa température et contrôle les conditions de charge afin de limiter les risques et de préserver sa durée de fonctionnement.

La gestion de l'énergie ne concerne pas uniquement la batterie. Le smartphone réduit également la consommation des circuits lorsqu'ils ne sont pas nécessaires. L'écran peut diminuer sa luminosité, certains blocs peuvent passer en veille et le processeur peut modifier son fonctionnement selon la charge de travail.

Les antennes

Les communications sans fil nécessitent des antennes capables d'émettre et de recevoir des ondes électromagnétiques.

Un smartphone peut comporter plusieurs antennes ou plusieurs éléments rayonnants adaptés aux différentes bandes de fréquences utilisées par les réseaux mobiles, le Wi-Fi, le Bluetooth ou le NFC.

Leur conception est particulièrement délicate car elles doivent être intégrées dans un appareil de petite taille tout en tenant compte de la présence de la batterie, de l'écran, du boîtier et de la main de l'utilisateur.

La communication avec les cartes et les périphériques

Le smartphone doit également communiquer avec ses propres composants. Des interfaces électroniques relient le processeur à la mémoire, aux capteurs, aux caméras, à l'écran et aux différents circuits de communication.

Ces échanges doivent être suffisamment rapides pour que les différents blocs puissent fonctionner simultanément. Une photographie prise par la caméra doit par exemple pouvoir être transférée rapidement vers la mémoire et vers les circuits chargés de son traitement.

Le système d'exploitation

Le système d'exploitation coordonne l'ensemble des fonctions du smartphone. Il permet aux applications d'utiliser les ressources matérielles sans avoir à contrôler directement chaque transistor ou chaque circuit électronique.

Lorsqu'une application demande l'accès à la caméra, au GPS ou à un capteur, le système d'exploitation organise la communication avec le matériel concerné. Il gère également la mémoire, les fichiers, les communications, l'affichage et une partie de la consommation énergétique.

Cette organisation permet à de nombreuses applications différentes d'utiliser le même matériel tout en conservant une séparation entre leurs données et leurs fonctions.

Un appareil fortement intégré

La particularité du smartphone moderne réside dans le niveau d'intégration électronique atteint dans un volume très réduit. Les fonctions de calcul, de traitement graphique, de communication, de gestion de l'énergie, de traitement de l'image et du son sont réparties entre de nombreuses puces spécialisées et des circuits regroupant plusieurs fonctions.

Cette intégration réduit la taille des appareils et les distances entre les différents circuits. Elle permet également de diminuer la consommation et d'augmenter les performances, mais elle impose une conception extrêmement précise de l'ensemble du système.

Le smartphone constitue ainsi un exemple particulièrement complet de l'électronique moderne : des capteurs recueillent des informations, des circuits les convertissent et les traitent, des mémoires les conservent, des systèmes radio les transmettent et un ensemble logiciel coordonne toutes ces opérations dans un appareil de quelques centimètres.