Dossiers techniques

La numérisation du son

La qualité du signal audio est étroitement liée à celle du support.
Le signal analogique supporte mal les copies et les manipulations : il se dégrade progressivement,
par perte d’information.

Le procédé PCM (Pulse Coded Modulation) a été inventé dans les années 1920 par la société 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 1960 pour la téléphonie et les années 70-80 pour l’audio.

Le signal numérique est discontinu : il n’est pas défini à tout instant, ni pour toutes les amplitudes. Il se présente sous la forme d’une liste de nombres, codée en binaire (0 et 1).

Echantillonage et quantification

Echantillonage

Les vibrations sonores sont transformées en liste de nombres grâce à un convertisseur Analogique/
Numérique (A/D).

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.

Le nombre d’évènements lus par seconde nous donne la fréquence d’échantillonnage.
Cette fréquence doit être suffisamment grande, afin de préserver la forme originale 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 jusqu’environ 20 000 Hz. La fréquence d’échantillonnage doit être au moins de l’ordre de 40 000 Hz.

Fréquences d’échantillonnage normalisées :

• 32 kHz pour la radio FM en numérique (la bande passante est alors réduite à 15 kHz)
• 44.1 kHz, 96 kHz pour l’audio professionnel et les CD
• 48 kHz pour les enregistreurs numériques professionnels et l’enregistrement grand public DAT, Mini disc…

Quantification

En analogique, toutes les valeurs d’amplitude sont possibles ; ce n’est pas le cas en numérique où il y a quantification. Après avoir découpé le signal en échantillons, il faut les mesurer et leur donner une valeur numérique en fonction de leur amplitude.
Pour cela on définit un intervalle de N valeurs destiné à couvrir l’ensemble des valeurs possibles. Ce nombre N est codé en binaire sur 8, 16, 20 ou 24 bits selon la résolution du convertisseur A/N. L’amplitude de chaque échantillon est alors représenté par un nombre entier. Le nombre de bits limite la précision du codage. Plus le nombre de bits utilisés sera grand, meilleure sera la ressemblance avec le signal original.

Codage…

• 8 bits = 2 puissance 8 soit 256 valeurs
• 16 bits = 2 puissance 16 soit 65 536 valeurs
• 20 bits = 2 puissance 20 soit 1 048 576 valeurs
• 24 bits = 2 puissance 24 soit 16 777 216 valeurs

Les systèmes grand public actuels (CD, DAT) travaillent avec 16 bits, soit 65 536 niveaux (de – 32 768 à + 32 767).
Le standard des nouvelles machines professionnelles ainsi que du DVD sera de : 24 bits – 96 kHz. Ces caractéristiques permettent d’améliorer la dynamique et la bande passante des signaux audio, avec une reproduction encore plus proche de la réalité tout en ayant la possibilité de se livrer à des traitements numériques plus sophistiqués, et ceci sans dégrader le signal.
Le nombre de bits définit également l’amplitude dynamique du signal (6 dB/bit) : Une résolution de 8 bits donnera une dynamique maximale de 8 x 6 = 48 dB ;

• 16 bits : 16 x 6 = 96 dB ;
• 24 bits : 24 x 6 = 144 dB.

Plus l’encodage est important, plus la dynamique sera élevée et le bruit de fond limité.

Restitution et filtrage des signaux numériques

Le signal numérique n’a plus la belle allure du signal analogique, car 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 (44 100 par seconde et + ou – 32 767 niveaux d’amplitude en 16 bits).

Signal analogique