LE SON NUMERIQUE

 

Le son

Définition

Le son est une vibration qui se transmet dans l'air ou dans un milieu élastique. L'onde sonore peut être captée par un microphone, transformée, puis stockée sous forme :
- mécanique (disque en cire ou en vinyl),
- magnétique (cassette ou bande),
- électrique ou électronique (amplification, transformation, filtrage...),
- optique.

Fragilité

Malheureusement, la qualité du signal est étroitement liée à celle du support. Le signal analogique supporte mal les copies et les manipulations : il se dégrade progressivement, inexorablement…

 

Bref historique

Le son numérique

Le procédé PCM (Pulse Coded Modulation) a été inventé dans les années 1920 par la Bell Telephon (USA), afin d’augmenter le débit des lignes téléphoniques. Les premières applications à grande échelle n'ont vu le jour qu’à partir des années 60 pour la téléphonie et les années 70-80 pour l’audio.

La conversion analogique-numérique

 

Échantillonnage

Les vibrations sonores sont transformées en liste de nombres grâce à un convertisseur analogique-numérique. Le convertisseur prélève des valeurs du signal à des intervalles de temps réguliers et les transforme en nombre binaire. Il ne lit pas toute la courbe, mais seulement quelques échantillons.
Ces échantillons sont lus à des intervalles de temps réguliers. Ceci permet de définir une période ou une fréquence d'échantillonnage (nombre d'événements lus par seconde).
 

Fréquence d'échantillonnage

Théorème de Nyquist

La fréquence d'échantillonnage doit être suffisamment grande, afin de préserver la forme du signal.
Le Théorème de Nyquist - Shannon dit que : la fréquence d'échantillonnage doit être égale ou supérieure à 2 fois la fréquence maximale contenue dans ce signal.
Notre oreille perçoit les sons environ jusqu’à 20000 Hz. Donc la fréquence d'échantillonnage doit être au moins de l'ordre de 40 000 Hz.

Fréquences d'échantillonnage normalisées

fréquences	usages
32 kHz :	pour la radio FM en numérique (bande-passante limitée à 15 kHz)
44.1 kHz :	pour l'audio professionnelle et les compact-disques
48 kHz :	pour les enregistreurs numériques multipistes professionnels et l'enregistrement grand public (DAT, MiniDisc…).

 

Quantification

En analogique, toutes les valeurs d’amplitude sont permises : 134,567 ; 1266,66…
Ça n'est pas le cas en numérique : il y a quantification. Le nombre de bits (binary element) limite la précision du codage : 135 ; 1267…
Plus le nombre de bits utilisé pour le codage sera grand, meilleure la ressemblance avec le signal original.
Les systèmes grand-public actuels (CD, DAT) travaillent avec 16 bits, soient 65536 niveaux (de -32768 à + 32767)
Le standard du DVD audio et des nouvelles machines professionnelles sera : 24 bits - 96 kHz.
Ces caractéristiques permettront encore d'améliorer la dynamique et la bande-passante des signaux audio.
Elles permettront une reproduction encore plus proche de la réalité, ainsi que la possibilité de se livrer à des traitements numériques plus sophistiqués, sans dégrader le signal.

 

Restitution et filtrage des signaux numériques

Allure des signaux numériques

Le signal numérisé n'a plus la belle allure du signal continu analogique. Il n'est défini qu'en certains points. L'allure typique d'un signal échantillonné est en forme de marches d'escalier, puisqu’il s’agit d’une liste de chiffres (44100 par seconde et + ou – 32767 niveaux d’amplitude).

Filtrage

Pour redonner une belle allure au signal, il faut le filtrer (ou le lisser) à l'aide d'un filtre passe-bas.
Ce filtrage peut être réalisé de façon analogique, avec des circuits électroniques.
Il est toutefois plus performant et plus propre de réaliser un filtrage numérique (par interpolation), à l’aide de circuits intégrés spécialisés. On appelle cela : sur-échantillonnage ou oversampling.
"4 time oversampling" (sur-échantillonnage 4 fois) indique l’efficacité et la sophistication du circuit intégré. On peut aujourd’hui aller jusqu’à un sur-échantillonnage 128 fois.

Taille mémoire occupée par du son numérique

Un enregistrement de qualité CD (44,1 kHz, 16 bits stéréo) occupe la place suivante :

débit ou taille mémoire
1,4 Mbits/s	44100 échantillons par seconde x 16 bits x 2 pistes
176,4 octets/s	44100 échantillons par seconde x 2 octets x 2 pistes
10 Mo / mn (environ)	44100 échantillons par seconde x 2 octets x 2 pistes x 60 secondes

 

Transmission du son numérique

AES/EBU : format professionnel, transmission sur un cable symétrique en XLR
SPDIF : format grand public mis au point par SONY et PHILIPS, connexions par des cables RCA ou optiques
 

Avantages du numérique.

• La dynamique (plage des amplitudes reproduites de ppp à fff) et la bande-passante (plage des fréquences reproduites) sont très bonnes.
• Le signal étant codé sous forme de nombres, les parasites ou bruits de fond électriques ou mécaniques n'ont plus d'influence sur la qualité de la reproduction.
• La copie, le traitement et la mémorisation du signal n’entraînent pas de perte de qualité. On peut faire des copies numériques autant de fois que l’on veut sans dégradation !
• De plus, en cas d'erreurs de lecture (dues aux défectuosités du support, aux saletés, aux rayures, empreintes de doigts, aux fluctuations mécaniques, au pleurage, ...), des circuits de détection et de correction d'erreurs entrent automatiquement en service.
 

Conclusion

Les étapes de capture et de restitution des phénomènes sonores sont et resteront toujours analogiques (le son est un phénomène analogique par essence).
On ne pourra jamais se passer de microphone, d'enceintes et de casques et de nos oreilles ...