De l'analogique au numérique

De l'analogique au numérique
Par romain_de_ny le 30/08/2002

Définition du son

Dossier "de l'analogique au numérique" A l'heure où le tout numérique tente petit à petit de prendre la place de l'analogique, il est bon de se poser la question de savoir plus précisément ce qu'est vraiment le numérique, ses possibilités, et ses limitations.

Avant d'entrer dans le vif du sujet, prenons le temps de redéfinir ensemble quelques notions. Au fil de ces pages je vais privilégier le sens logique, l'intuition et l'expérience personnelle plutôt que des considérations mathématiques, physiques ou de théorie du signal.

Ce dossier permet de bien débuter dans ce domaine. Un second dossier, plus poussé et plus complexe, est disponible sous le doux nom de Les secrets de l'audionumérique.

Pour commencer, qu'est ce que le son ?

Le son est perçu car le tympan vibre 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).

C'est la source qui est à l'origine de la vibration. Posez la main sur votre gorge en émettant un son, posez la sur un haut parleur : les objets qui émettent du son sont des objets vibrants. Ensuite cette vibration se transmet de proche en proche par l'intermédiaire du milieu (l'air, l'eau...). Dans le vide, le son ne se propage pas puisqu'il n'y a pas de milieu matériel.

Le son sous forme analogique

Les auditeurs entendent des sons, car la pression de l'air change légèrement dans leurs oreilles. A un point fixe, c'est la pression d'air qui va vibrer au cours du temps. On peut représenter cette variation de pression par rapport au temps sous forme graphique. De la même façon cette pression, récupérée par un capteur (microphone...), peut être représentée sous forme de tension :

Signal analogique sous forme de pression

Le premier signal électrique que je vais introduire est le signal électrique analogique. C'est celui que l'on observe immédiatement à droite du graphe de pression au cours du temps. Il est directement semblable (analogue) à la pression au cours du temps à un facteur multiplicatif près. Le signal électrique analogique qui nous intéresse ici n'est en fait qu'une variation temporelle d'un potentiel électrique similaire aux variations de pression de l'air au cours du temps. Les correspondances entre ces deux phénomènes physiques sont usuellement réalisées grâce aux microphones et haut-parleurs.

L'information analogique est constituée de valeurs continues dans le temps, c'est à dire qu'à tout instant correspond une valeur (de pression par exemple). De plus le signal analogique peut prendre n'importe quelle valeur dans les limites du système. On ne peut pas quantifier un nombre d'état de la pression: il existe une infinité de valeurs. C'est le système de représentation le plus riche et le plus précis.

Par opposition aux signaux analogiques, l'information 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.

Exemple de convertisseurs analogiques numériques (CAN) 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).

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.

Très bientôt, nous publierons un dossier plus complet et plus complexe sur le sujet. Stay tuned !