Audio numérique

Échantillonnage et quantification sur 4 bits d’un signal analogique (rouge) utilisant la modulation par code d’impulsion.

L’audio numérique est une technologie qui utilise des signaux numériques pour la reproduction du son. Elle comprend la conversion analogique-numérique, la conversion numérique-analogique, le stockage et la transmission.

L’audio numérique a émergé en raison de son utilité dans l’enregistrement, la manipulation, la production de masse et la distribution du son. La distribution moderne de la musique sur Internet par le biais de magasins en ligne dépend de l’enregistrement numérique et des algorithmes de compression numérique. La distribution de l’audio sous forme de fichiers de données plutôt que d’objets physiques a permis de réduire considérablement les coûts de distribution.

Overview of digital audio

Going from analog to digital

Du cylindre de cire à la cassette compacte, le stockage et la reproduction de la musique audio analogique reposent sur les mêmes principes que ceux sur lesquels repose l’audition humaine. Dans un système audio analogique, les sons commencent comme des formes d’onde physiques dans l’air, sont transformés en une représentation électrique de la forme d’onde, via un transducteur (par exemple, un microphone), et sont stockés ou transmis. Pour être recréé sous forme de son, le processus est inversé, par amplification puis reconversion en ondes physiques via un haut-parleur. Bien que sa nature puisse changer, ses caractéristiques fondamentales, semblables à celles d’une onde, restent inchangées pendant son stockage, sa transformation, sa duplication et son amplification. Tous les signaux audio analogiques sont sensibles au bruit et à la distorsion, en raison du bruit inhérent présent dans les circuits électroniques.

L’audio numérique est la technologie de représentation de l’audio sous forme numérique. La chaîne audio numérique commence lorsqu’un signal audio analogique est converti en signaux électriques – impulsions  » on/off  » – plutôt qu’en signaux électromécaniques. Ce signal est ensuite codé afin de combattre les erreurs qui pourraient se produire lors du stockage ou de la transmission du signal. Ce « codage de canal » est essentiel pour que le système numérique puisse recréer le signal analogique lors de la lecture. Un exemple de code de canal est la modulation de huit à quatorze bits utilisée dans le disque compact audio.

Un signal analogique est converti en un signal numérique à une fréquence d’échantillonnage et une résolution binaire données ; il peut contenir plusieurs canaux (2 canaux pour la stéréo ou plus pour le son surround). En général, plus la fréquence d’échantillonnage et la résolution binaire sont élevées, plus la fidélité est grande, ainsi que la quantité de données numériques.

Qualité du son

Bien que l’objectif des systèmes analogiques et numériques soit de reproduire parfaitement le son, plusieurs obstacles empêchent d’atteindre cet objectif. Ils comprennent :

• Le bruit de fond analogique dans le circuit de capture, et ont une capacité et une inductance inhérentes qui limitent la bande passante du système, et une résistance qui limite l’amplitude.
• Le bruit de quantification numérique dans le circuit de capture, et le taux d’échantillonnage limite la bande passante et sa résolution en bits limite la gamme dynamique (résolution de la création d’amplitude).

Pour obtenir une meilleure fidélité, des composants de qualité supérieure sont nécessaires, ce qui a augmenté le coût global.

Processus de conversion

Un signal audio numérique commence par un convertisseur analogique-numérique (CAN) qui convertit un signal analogique en un signal numérique. Le CAN fonctionne à une fréquence d’échantillonnage et convertit à une résolution binaire connue. Par exemple, le CD audio a une fréquence d’échantillonnage de 44,1 kHz (44 100 échantillons par seconde) et une résolution de 16 bits pour chaque canal (stéréo). Si le signal analogique n’est pas déjà à bande limitée, un filtre anti-repliement est nécessaire avant la conversion, pour éviter le repliement du signal numérique. (L’aliasing se produit lorsque les fréquences supérieures à la fréquence de Nyquist n’ont pas été limitées en bande, et apparaissent au contraire comme des artefacts audibles dans les basses fréquences).

Un aperçu du processus de conversion numérique <-> analogique.

Certains signaux audio, comme ceux créés par synthèse numérique, proviennent entièrement du domaine numérique, auquel cas la conversion analogique-numérique n’a pas lieu.

Après avoir été échantillonné avec le CAN, le signal numérique peut ensuite être modifié dans un processus qui est appelé traitement du signal numérique où il peut être filtré ou se voir appliquer des effets.

Le signal audio numérique peut ensuite être stocké ou transmis.Le stockage de l’audio numérique peut se faire sur un CD, un lecteur MP3, un disque dur, une clé USB, une CompactFlash ou tout autre dispositif de stockage de données numériques.Les techniques de compression des données audio – telles que MP3, Advanced Audio Coding, Ogg Vorbis ou Flac – sont couramment employées pour réduire la taille des fichiers.L’audio numérique peut être diffusé en continu vers d’autres appareils.

La dernière étape pour l’audio numérique consiste à être reconverti en un signal analogique avec un convertisseur numérique-analogique (CNA).Comme les CAN, les CNA fonctionnent à une fréquence d’échantillonnage et une résolution binaire spécifiques, mais par les processus de suréchantillonnage, de suréchantillonnage et de sous-échantillonnage, cette fréquence d’échantillonnage peut ne pas être la même que la fréquence d’échantillonnage initiale.

Histoire de l’utilisation de l’audio numérique dans l’enregistrement commercial

L’enregistrement numérique commercial de la musique classique et du jazz a commencé au début des années 1970, sous l’impulsion de sociétés japonaises comme Denon, de la BBC et de la maison de disques britannique Decca (qui, au milieu des années 1970, a développé des enregistreurs audio numériques de sa propre conception pour le mastering de ses albums), bien que des enregistrements expérimentaux aient existé dès les années 1960.

Le premier enregistrement PCM 16 bits aux États-Unis a été réalisé par Thomas Stockham à l’Opéra de Santa Fe en 1976, sur un enregistreur Soundstream. Dans la plupart des cas, il n’y avait pas d’étape de mixage impliquée ; un enregistrement numérique stéréo était réalisé et utilisé sans altération comme bande maîtresse pour une sortie commerciale ultérieure. Ces enregistrements numériques non mixés sont toujours qualifiés de DDD, car la technologie utilisée est purement numérique. (De même, les enregistrements analogiques non mixés sont généralement qualifiés de DDD pour désigner une seule génération d’enregistrement analogique.)

Bien que le tout premier enregistrement numérique d’un morceau de musique non classique, la reprise par Morrissey-Mullen du tube de Rose Royce « Love Don’t Live Here Anymore » (sorti en 1979 sous la forme d’un EP vinyle) ait été enregistré en 1978 dans les studios d’enregistrement Abbey Road d’EMI, le premier album de musique populaire entièrement enregistré numériquement (DDD) a été Bop Till You Drop de Ry Cooder, enregistré fin 1978. Il n’a pas été mixé, étant enregistré directement sur un enregistreur numérique 3M à deux pistes dans le studio. De nombreux autres artistes de renom ont adopté très tôt l’enregistrement numérique. D’autres, comme l’ancien producteur des Beatles George Martin, estimaient que la technologie d’enregistrement numérique multipiste du début des années 1980 n’avait pas atteint la sophistication des systèmes analogiques. Martin a toutefois utilisé le mixage numérique pour réduire la distorsion et le bruit qu’une bande maîtresse analogique aurait introduits (donc le DDA). Un exemple précoce d’un enregistrement analogique qui a été mixé numériquement est la sortie de Fleetwood Mac en 1979, Tusk.

Évaluation subjective

L’évaluation de la fidélité est un problème de longue date avec les systèmes audio en général. Bien que les signaux audio puissent être mesurés et analysés par des instruments spécialisés selon des normes plus exigeantes qu’à l’oreille, ces mesures ne révèlent pas toujours si certains sons sont évalués comme « bons » ou « mauvais » par un auditeur donné. Les paramètres relatifs à la qualité audio comprennent les capacités auditives, les préférences personnelles, l’emplacement par rapport aux enceintes et les propriétés physiques de la pièce. Bien entendu, l’évaluation subjective n’est pas propre à l’audio numérique. Cependant, l’audio numérique ajoute d’autres éléments au débat, tels que les algorithmes de compression avec perte et les modèles psychoacoustiques.

Technologies audio numériques

• Digital Audio Broadcasting (DAB)
• Poste de travail audio numérique
• Lecteur audio numérique

Technologies de stockage :

• Bande audio numérique (DAT)
• Disque compact (CD)
• DVD DVD-A
• MiniDisc
• Super Audio CD
• différents formats de fichiers audio

Interfaces audio numériques

Les interfaces spécifiques à l’audio comprennent :

• AC97 (Audio Codec 1997) interface entre circuits intégrés sur les cartes mères des PC
• Intel High Definition Audio Un remplacement moderne de l’AC97
• Interface ADAT
• Interface AES/EBU avec connecteurs XLR
• AES47, Audio numérique AES3 professionnel sur des réseaux en mode de transfert asynchrone
• I²S (Inter-IC sound) interface entre circuits intégrés dans l’électronique grand public
• MADI Multichannel Audio Digital Interface
• MIDI interconnexion à faible bande passante pour transporter des données d’instruments ; ne peut pas transporter le son
• S/PDIF, soit par câble coaxial, soit par TOSLINK
• TDIF, format propriétaire de Tascam avec câble D-sub
• Bluetooth via A2DP

Naturellement, tout bus numérique (comme USB, FireWire et PCI) peut transporter de l’audio numérique.

Voir aussi

• Disque compact
• DVD
• Musique
• Son

• Borwick, John. 1996. La pratique de l’enregistrement sonore, 4e édition. Oxford : Oxford University Press. ISBN 0198166087.
• Ifeachor, Emmanuel C., et Barrie W. Jervis. 2002. Digital Signal Processing : A Practical Approach, 2e édition. Harlow, Royaume-Uni : Prentice Hall. ISBN 0201596199.
• Rabiner, Lawrence R., et Bernard Gold. 1975. Théorie et application du traitement des signaux numériques. Englewood Cliffs, NJ : Prentice-Hall. ISBN 0139141014.
• Stanley, William D., Gary R. Dougherty, et Ray Dougherty. 1984. Traitement des signaux numériques. Reston, VA : Reston Pub. Co. ISBN 083591321X.
• Watkinson, John. 2005. L’art de l’audio numérique, 3e édition. Oxford : Focal Press. ISBN 0240515870.

Tous les liens ont été récupérés le 23 octobre 2017.

• Audio numérique. (Tutoriel.)
• Introduction à l’informatique musicale : Volume un, chapitre cinq : Audio numérique.

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