Qu’est-ce qu’un son digital ?

lundi 26 mai 2008
par  Morine Kiryakos, Yasmina Sabaghi
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QU’EST-CE QU’UN SON DIGITAL ?

  1. Introduction :
    - Définition d’un son
    - Les différents types de sons (en bref)
  2. Définition d’un son digital
  3. Exemple
  4. Exemple de supports, formats et convertisseurs du son digital
  5. Avantages et inconvénients du numérique
  6. Conclusion
  7. Bibliographie

1. Introduction :

Définition d’un son :

Un son est ce qui est : "émis par les corps animés d’un mouvement vibratoire, le son se propage sous forme d’ondes mécaniques susceptibles de subir des réflexions (phénomène d’écho), des réfractions (transmission à travers une paroi) et des interférences (renforcement ou annulation de l’intensité sonore entre deux sources identiques émettant en phase et à la même fréquence)." [1]

"Sous sa forme la plus simple, le son n’est qu’une vibration mécanique, c’est à dire un mouvement plus ou moins complexe d’objets matériels autour de leurs points d’équilibre. En l’occurrence, si un auditeur perçoit un son, c’est parce que les particules d’air immédiatement limitrophes de ses tympans vibrent. Par ailleurs, intervient également un phénomène de propagation de ces vibrations dans certains matériaux : le son atteint généralement les oreilles de l’auditeur après avoir été transmis par l’air depuis sa source (remarque : sous l’eau, ce sont les particules d’eau qui transmettent le son)." [2]

lien de l’image

Les différents types de sons (en bref) :

"Les phénomènes qui nous entourent sont quasiment tous continus, c’est-à-dire que lorsque ces phénomènes sont quantifiables, ils passent d’une valeur à une autre sans discontinuité.

Ainsi, lorsque l’on désire reproduire les valeurs du phénomène, il s’agit de l’enregistrer sur un support, afin de pouvoir l’interpréter pour reproduire le phénomène original de la façon la plus exacte possible. Lorsque le support physique peut prendre des valeurs continues, on parle d’enregistrement analogique. Par exemple une cassette vidéo, une cassette audio ou un disque vinyle sont des supports analogiques.

Par contre, lorsque le signal ne peut prendre que des valeurs bien définies, en nombre limité, on parle alors de signal numérique.

La représentation d’un signal analogique est donc une courbe, tandis qu’un signal numérique pourra être visualisé par un histogramme.

De cette façon, il est évident qu’un signal numérique est beaucoup plus facile à reproduire qu’un signal analogique (la copie d’une cassette audio provoque des pertes...)." [3]

lien de l’image

Il y a également le "son pur qui est une monofréquence dotée d’un spectre à lignes. La forme d’onde périodique d’un son pur est celle d’un mouvement harmonique simple, autrement dit une forme sinusoïdale." [4]
Après ces brèves définitions, nous allons nous pencher plus amplement sur le thème de notre travail : le son digital.

2. Définition d’un son digital :

"Par opposition aux signaux analogiques, l’information digital ou numérique est constituée de valeurs discrètes, c’est à dire que l’on connaît la valeur du signal uniquement à certains instants. Un signal numérique est une suite temporelle de valeurs binaires.

Une unité d’information binaire s’appelle un bit (de l’anglais binary digit), et un bit ne peut emprunter que les valeurs 1 ou 0.

Continuons avec quelques notions sur les nombres binaires. Dans le système décimal usuel, chaque chiffre représente une puissance de dix alors qu’il représente une puissance de deux dans le système binaire. Un nombre constitué de plus d’un chiffre binaire (bit) est appelé "mot" binaire (c’est un peu la même distinction qu’entre chiffre et nombre). Plus un mot contient de bits et plus le nombre d’états qu’il peut représenter est important : un mot de 8 bits admet 256 (2 à la puissance 8) états et un mot de 16 bits en admet 65536 (2 à la puissance 16). Le bit de plus faible poids (2 puissance 0) est appelé élément binaire de poids faible (LSB ou Least Significant Bit) alors que le bit de plus grand poids est appelé élément binaire de poids fort (MSB ou Most Significant Bit).

L’information sonore analogique sous forme électrique est convertie sous forme électrique numérique par l’intermédiaire d’un système appelé convertisseur analogique-numérique (A/N ou CAN). Il est établi qu’un signal analogique peut emprunter un nombre infini de valeurs, alors qu’un signal numérique ne peut emprunter qu’un nombre limité de valeurs fixées. Le nombre de valeurs fixées possibles pour un signal numérique dépend de la longueur des mots binaires utilisés, autrement dit du nombre de bits. Afin de convertir un signal analogique en signal numérique, il est nécessaire de mesurer son amplitude à intervalles de temps réguliers (c’est l’échantillonnage) et d’affecter une valeur binaire à chacune des mesures (c’est la quantification)." [5]

lien de l’image du CAN]

Nous allons maintenant détailler plus précisement la numérisation pour encore mieux comprendre ce processus :

"La transformation d’un signal analogique en signal numérique est appelée numérisation. La numérisation comporte deux activités parallèles : l’échantillonnage (en anglais sampling) et la quantification. L’échantillonnage consiste à prélever périodiquement des échantillons d’un signal analogique. La quantification consiste à affecter une valeur numérique à chaque échantillon prélevé.

La qualité du signal numérique dépendra de deux facteurs :

  1. la fréquence d’échantillonnage (appelé taux d’échantillonnage) : plus celle-ci est grande (c’est-à-dire que les échantillons sont relevés à de petits intervalles de temps) plus le signal numérique sera fidèle à l’original ;
  2. le nombre de bits sur lequel on code les valeurs (appelé résolution) : il s’agit en fait du nombre de valeurs différentes qu’un échantillon peut prendre. Plus celui-ci est grand, meilleure est la qualité.

Ainsi, grâce à la numérisation on peut garantir la qualité d’un signal, ou bien la réduire volontairement pour :

- diminuer le coût de stockage
- diminuer le coût de la numérisation
- diminuer les temps de traitement
- tenir compte du nombre de valeurs nécessaires selon l’application
- tenir compte des limitations matérielles

Le théorème de Shannon stipule que pour pouvoir numériser correctement un signal, il faut échantillonner à une fréquence double (ou supérieure) à la fréquence du signal analogique que l’on échantillonne.
Convertisseurs analogique numérique

Un convertisseur analogique numérique (CAN) est un appareil permettant de transformer en valeurs numériques un phénomène variant dans le temps. Lorsque les valeurs numériques peuvent être stockées sous forme binaire (donc par un ordinateur), on parle de données multimédia." [6]

3. Exemple :

Pour illustrer nos propos nous allons vous faire part de l’exemple de l’enregistrement numérique sur cd :

lien du cours de M. Meylan

Tout d’abord, le son analogique est transmis depuis les cordes vocales d’une chanteuse vers un microphone. Le son qui arrive vers le microphone exerce une pression sur la membrane de ce dernier ; celle-ci est transformée en tension électrique.

Puis, le signal audio analogique passe par un amplificateur qui est un dispositif permettant l’accroissement de l’amplitude de l’onde sonore afin d’avoir une meilleure conversion en son digital.

Le son analogique passe donc par un convertisseur analogique numérique (CAN) pour être ensuite, envoyé vers un magnétophone digital qui récupère ce nouveau son numérique.

(Lors de la conversion en numérique, il est nécessaire de savoir que pas tous les échantillons ne sont récupérés. En effet, seuls les échantillons à usages réguliers sont sélectionnés. Le signal numérique est discontinu, divisé en une certaine fréquence d’échantillonage (44,1 mHz pour un cd) et c’est le CAN qui relit chacune des fréquences à celle qui la précède ou la suit.)

Depuis le magnétophone digital, le son est transmis à l’ordinateur où des montages ainsi que des mixages seront effectués afin d’avoir l’impression à l’écoute que le son est plus agréable à entendre.

Après cela, on insère un disque compact vierge dans un graveur qui se trouve dans l’ordinateur, et une gravure digitale peut désormais commencer grâce à un laser qui permet la lecture et la reconstitution sur CD de ce son.

Un amplificateur est une fois de plus utilisé, mais cette fois-ci, il permet de reconstituer le nouveau signal audio.

Une fois ce dernier raccommodé, le son est "prêt à l’emploi". C’est-à-dire qu’il va passer par les hauts-parleurs dans le but d’être perçu par l’oreille. [7]

4. Exemple de convertisseurs, formats et de supports du son digital :

Supports du son :

"Un ordinateur dit « multimédia » est une machine capable de numériser des documents (papier, audio, vidéo...). Les principaux périphériques comportant des convertisseurs analogiques numériques sont :

- la radio
- les cartes d’acquisition vidéo
- les cartes de capture sonore (la quasi-totalité des cartes-sons)
- les lecteurs (optiques comme le lecteur de CD-ROM, magnétiques comme le disque dur)"

Convertisseurs :

"Un convertisseur analogique numérique (CAN) est un appareil permettant de transformer en valeurs numériques un phénomène variant dans le temps. Lorsque les valeurs numériques peuvent être stockées sous forme binaire (donc par un ordinateur), on parle de données multimédia." [8]

"Un Convertisseur Analogique-Numérique (CAN, ADC pour Analog to Digital Converter ) est un montage électronique dont la fonction est de générer à partir d’une valeur analogique, une valeur numérique (codée sur plusieurs bits), proportionnelle à la valeur analogique entrée. Le plus souvent il s’agira de tensions électriques.

Il existe plusieurs solutions pour convertir un signal analogique en signal numérique elles sont classées ici dans l’ordre de la moins rapide à la plus rapide.

1. Convertisseur à double rampes :

Cette évolution des convertisseurs à simple rampe permet de s’affranchir de la dérive naturelle des composants qui le compose. Son fonctionnement repose sur une comparaison entre une référence et le signal à convertir.
La conversion se déroule en 3 étapes :

On charge une capacité avec un courant proportionnel au signal à convertir pendant un temps fixe (le temps du comptage complet du compteur) ;
On décharge ensuite la capacité, avec un courant constant issue de la tension de référence, jusqu’à annulation de la tension à ses bornes. Lorsque la tension devient nulle, la valeur du compteur est le résultat de la conversion ;
On annule enfin la tension aux bornes de la capacité par une série convergente de charges et de décharge (l’objectif étant de décharger totalement la capacité pour ne pas fausser la mesure suivante). On parle en général de phase de relaxation.
Ces convertisseurs sont particulièrement lents (quelques dizaine de milliseconde par cycle, et parfois quelques centaines), mais très précis (plus de 16 bits). Ils dérivent peu (dans le temps, comme en température).

lien de l’image du fonctionnement d’un convertisseur à double rampe

2. Convertisseur à simple rampe :

On réalise au moyen d’un compteur et d’un convertisseur numérique-analogique une rampe de tension. Un comparateur arrête le compteur lorsque la tension créée par le CNA atteint la tension à convertir. Le compteur indique alors le résultat sur N bits, qui peut être stocké ou traité.
Ces convertisseurs ont les mêmes performances en terme de stabilité que les convertisseurs à approximations successives, tout en étant nettement plus lent que ces derniers. De plus leur temps de conversion qui évolue avec la tension à convertir en fait un outil peu utilisé.

3. Convertisseur à approximations successives :

Très proche en terme de composition des convertisseurs à simple rampe, les convertisseurs à approximations successives (aussi appelés pesées successives) utilisent un processus de dichotomie pour traduire numériquement une tension analogique.

Un séquenceur (généralement nommé SAR pour Successive Approximation Register), couplé à un CNA génère une tension analogique, qui est comparée au signal à convertir. Le résultat de cette comparaison est alors introduit dans le SAR, qui va le prendre en compte, pour la suite du processus de dichotomie, jusqu’à complétion.

Le convertisseur réalise donc sa conversion en positionnant en premier le bit de poids fort (MSB) et en descendant progressivement jusqu’au LSB.

Les convertisseurs à approximations successives ont des temps de conversion de l’ordre de la dizaine de microsecondes, pour des résolutions d’une douzaine de bits environ.

4. Convertisseur Sigma Delta :

Ce type de convertisseur est basé sur le principe du suréchantillonnage d’un signal d’entrée.
Un comparateur est en général utilisé pour convertir sur un bit (c’est-à-dire 0 ou 1) la différence (delta) entre le signal d’entrée et le résultat de la conversion (0=plus petit, 1=plus grand).
Le résultat de la comparaison est alors entré dans un filtre appelé le décimateur, qui somme (sigma) les échantillons du signal d’entrée. Cela revient à calculer l’intégrale de la différence entre l’entrée et la sortie.
Cela crée un système asservi (la sortie est rebouclée sur l’entrée) qui fait osciller la valeur de l’intégrale du signal à convertir autour d’une valeur de référence (le résultat de la conversion).
La sortie numérique du comparateur est sur 1 bit à haute fréquence (la fréquence d’échantillonnage), qui est filtrée par le décimateur qui augmente le nombre de bits en réduisant la pseudo fréquence d’échantillonnage. L’intérêt de ce genre de convertisseur réside dans sa grande résolution de sortie possible (16, 24, 32, 64 bits voir plus) pour des signaux d’entrée avec une bande passante modérée.
Ces convertisseurs sont très adaptés à la conversion de signaux analogiques issus de capteurs dont la bande passante est souvent faible (par exemple les signaux audio). Les convertisseurs Sigma/Delta sont, par exemple, utilisés dans les lecteurs de CD.

Il est à noter que les technologie Sigma-Delta ont quasi totalement remplacées les technologies à simple ou double rampe.

5. Convertisseur flash :

Le principe est de générer $2^{N}$ -1 tensions analogiques au moyen d’un diviseur de tension à $2^{N}$ résistances. Les $2^{N}$ -1 tensions obtenues aux bornes de chacune des résistances est ensuite comparé dans $2^{N}$ -1 comparateurs au signal à convertir. Un bloc logique combinatoire relié à ces comparateurs donnera le résultat codé sur N bits en parallèle. Cette technique de conversion est très rapide, mais coûteuse en composants et donc utilisée pour les applications critiques comme la vidéo.
Les convertisseurs Flash ont des temps de conversion inférieurs à la microseconde mais une précision assez faible (de l’ordre de la dizaine de bits). Ce convertisseur est souvent très cher.

lien de l’image- de la structure d’un convertisseur flash

6. Convertisseur semi-flash et pipeline :

De manière à limiter le nombre total de comparateurs, ces convertisseurs utilisent plusieurs étages flash de précision réduite (typiquement 3 bits) chainés. Chaque flash pilote un convertisseur numérique-analogique dont la sortie est soustraite au signal analogique d’entrée. L’étage suivant code le résultat de la différence, améliorant ainsi la précision finale. Un convertisseur semi-flash effectue l’ensemble des opération en un seul cycle d’horloge, ce qui limite sa vitesse au temps de propagation total le long de la chaine. En revanche, un convertisseur pipeline utilise un cycle d’horloge par étage. Ce séquencement nécessite un échantillonneur-bloqueur et un registre par étage mais permet d’être plus rapide puisque plusieurs échantillons sont traités simultanément." [9]

Les différents formats du son :

"Le format des données est la manière utilisée en informatique pour représenter des données sous forme de nombres binaires. C’est une convention (éventuellement normalisée) utilisée pour représenter des données, soit des informations représentant un texte, une page, une image, un son, un fichier exécutable, etc. Lorsque ces données sont stockées dans un fichier, on parle de format de fichier. Une telle convention permet d’échanger des données entre divers programmes informatiques ou logiciels, soit par une connexion directe soit par l’intermédiaire d’un fichier. On appelle interopérabilité cette possibilité d’échanger des données entre différents logiciels." [10]

"Les formats de son se décomposent en trois parties :

les formats bruts : le son n’est pas compressé, les valeurs issues de la conversion des valeurs analogiques en numérique (échantillonnage) sont enregistrées dans l’ordre chronologique et par canal ;
les formats compressés : le son est compressé avec ou sans pertes suivant un algorithme adapté à la perception des sons de l’oreille humaine et/ou une compression classique ;
les formats de flux (stream) : permet l’écoute par partie sans avoir la totalité du fichier. [11]
Quelques exemples de formats classiques du son :

OGG, FLAC, MP3, WAV, WMA, AAC

5. Avantages et inconvénients du numérique :

"Le processus de conversion analogique-numérique a une incidence majeure sur la qualité finale du signal audionumérique. En effet, la qualité du message musical, une fois converti, ne peut jamais s’améliorer, mais plutôt empirer. Pour les applications audionumériques, l’offre s’étend aujourd’hui du convertisseur 8 bits/32 kHz jusqu’au convertisseur 24 bits/192 kHz très haut de gamme, en passant par le traditionnel convertisseur 16 bits/44,1 kHz. Comme la suite de cette partie le démontre, le taux d’échantillonnage et le nombre de bits par échantillon sont les principaux facteurs qui influent sur la qualité audio. La qualité des convertisseurs détermine quant à elle la différence entre la qualité sonore obtenue et la qualité théorique fixée par ces deux facteurs." [12]
Contrairement à l’enregistrement analogique, les nombreuses manipulations faites lors d’un enregistrement numérique n’altèrent pas la qualité du son. Pour un signal analogique, les erreurs de manipulations sont difficilement rattrapables, par exemple, si un signal sonore n’a pas été enregistré correctement. En revanche, avec le signal numérique, des manipulations pour corriger d’éventuelles erreurs sont toujours possibles. De plus, un enregistrement numérique permet d’obtenir exactement le même son de départ. En effet, c’est comme si un clone était créé. Cela dit, il suffit d’avoir des processeurs (échantilloneurs) de mauvaise qualité pour que le son soit moins bien traduit (mauvais clonage). Par ailleurs, un enregistrement numérique est limité au niveau de la taille du fichier, cela nous contraint donc à troquer la taille du fichier contre la qualité afin de gagner de la place, par exemple, dans le disque dur d’un ordinateur.

6. Conclusion :

Pour conclure, nous pensons que l’invention du numérique fut un grand progrès au niveau technologique, surtout en comparaison à l’analogique. En effet, le numérique ne se trouve pas seulement dans le son, mais également dans tout le domaine du visuel. A première vue, le passage de l’analogique au numérique ne semble pas évident. Pourtant, grâce à la physique et aux avancées technologiques, nous constatons que cette étape peut être franchie avec de multiples appareils tels que l’amplificateur ou le convertisseur comme nous avons pu le mentionner dans notre exemple.

Par ailleurs, grâce à ce travail nous avons compris plus précisémenent en quoi consistait le son numérique. En effet, le phénomène du numérique qui nous était jusqu’alors méconnu malgré sa présence dans notre vie quotidienne, s’est révélé finalement très intéressant. Cependant, à notre grand étonnement, nous n’avons pas trouvé autant d’informations sur ce sujet que nous le pensions.

De plus, le niveau très pointu de certains sites sur lesquels nous sommes tombées, nous ont donné du fil à retordre. Effectivement, tout n’était pas à notre portée de compréhension mais heureusement, vos cours ainsi que ceux de M.Meylan nous ont permis de retenir bon nombre d’informations.

7. Bibliographie :

Voir les notes.



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