La numérisation du signal audio

La numérisation du signal audio

La numérisation du signal audio

juin 2020Reportage Son

Échantillonnage et quantification

Le numérique a envahi notre existence, et l’univers du son ne fait pas exception. Peu importe que le projet soit modeste ou des plus ambitieux, on travaille aujourd’hui majoritairement sur des flux de données numériques. Mais certaines sources, comme les micros ou les instruments électro-acoustiques, sont analogiques. Une conversion vers le numérique est donc indispensable. Voyons comment elle se réalise et ce qu’elle implique comme choix de la part de l’utilisateur.

ANALOGIQUE, SIGNAL CONTINU

Tous les signaux analogiques, en son comme avec toute autre grandeur physique, ont la caractéristique d’être continus. C’est-à-dire qu’ils ne s’interrompent jamais, mais changent potentiellement de valeur en permanence avec le temps qui passe. Cela nous donne une chaîne d’une infinité de valeurs, fidèle à l’évolution de la grandeur (fig. 1).
En son, les valeurs peuvent être la variation de pression acoustique de l’air ou les variations de tension électrique d’un signal issu d’un micro ou d’une ligne.

ÉCHANTILLONNAGE

Traiter une quantité infinie de valeurs dans le domaine numérique est bien entendu impossible. La conversion va consister à prélever une certaine quantité d’échantillons du signal analogique pour transformer les grandeurs en mots numériques exploitables par les DSP.

L’opération est possible dès lors que notre convertisseur va disposer du signal sous une forme physique, qu’il va pouvoir mesurer. Passer directement des variations de pression acoustique au numérique n’est pas à ce jour réalisable (des prototypes de capteurs sans membrane existent, mais les résultats ne permettent pas encore une qualité audio suffisante). Nous allons donc utiliser des micros électro-acoustiques pour convertir nos variations de pression en tension électrique, qui va elle-même alimenter notre convertisseur. Dans le cas des instruments électroniques, des lecteurs de médias ou encore des platines vinyle la tension électrique est directement disponible.

Il va maintenant s’agir de mesurer, à intervalles réguliers, la valeur de la tension du signal, puis de la traduire en langage binaire, c’est-à-dire avec des 0 et des 1 (fig. 2). La finesse de la numérisation dépend de deux facteurs principaux.

La période d’échantillonnage, c’est-à-dire la durée (en secondes) qui sépare deux échantillonnages, elle correspond à l’inverse de la fréquence d’échantillonnage (Fe), qui s’exprime en hertz (Hz). Fe définit le nombre de fois où on mesure le signal analogique chaque seconde. 44 100 fois pour une Fe de 44,1 kHz. La quantification, aussi appelée résolution, s’exprime en bits et donne, en valeurs binaires, le nombre d’échelons de mesures de l’amplitude. Une quantification sur 3 bits (fig. 3), donne huit échelons. Le convertisseur mesure à intervalles réguliers le niveau du signal analogique et le traduit par un mot numérique correspondant à l’échelon le plus proche (marques rouges). La valeur est ensuite figée, on dit bloquée, jusqu’au prochain échantillonnage.

Plus la fréquence d’échantillonnage est élevée, plus le convertisseur autorisera une bande passante élevée. Plus la résolution est élevée, plus la mesure d’amplitude sera précise, proche des valeurs analogiques d’origine.

La bonne combinaison de ces deux facteurs induira le degré de fidélité de reproduction du signal.  

Un article d'

Eric Moutot

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