[PDF] Cours : Numériser le signal audio.

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Jean-Paul Stromboni, ESSI le 02/03/2005

CCCooouuurrrsss ::: NN

N uu u mm m rr r ii i ss s ee e rr r ll l ee e ss s ii i gg g nn n aa a ll l aa a uu u dd d ii i o o o

Précision : Questions à résoudre : Votre but est d'apprendre résoudre les questions de la liste suivante en utilisant les

informations qui leur sont attachées, à savoir : - des liens vers les notions nécessaires documentées dans le contenu du cours - des réponses brutes (sans explications) aux questions - des procédures suggérées pour aboutir aux réponses attendues

1. Connaître les composants de la chaîne de numérisation

2. Savoir lire un chronogramme

3. Savoir numériser un signal audio

4. Choisir la fréquence d'échantillonnage

5. Calculer la taille d'un fichier audio

6. Tirer les conséquences de la contrainte de Shannon

Précision : Contenu du cours : L'objectif de ce chapitre consiste à introduire le concept de signal numérique et

l'opération de numérisation. De multiples applications de la technologie moderne utilisent des sons et des images numériques, voir les CD, DVD, appareils photos, caméscopes, téléphone, radio, les ordinateurs, internet ... d'où l'intérêt de bien cerner les tenants et les aboutissants de l'opération de numérisation. Pour cela, voici précisément la liste des thèmes développés :

1. Comment les ordinateurs numérisent les sons

2. Les différentes formes possibles du signal audio

3. Les paramètres de la numérisation du signal audio

4. Comment bien choisir la fréquence d'échantillonnage

5. Quel est l'impact de la longueur binaire choisie

6. Comment calculer débit et taille d'un son numérisé

Jean-Paul Stromboni, ESSI le 02/03/2005

THÈME 1

COMMENT LES ORDINATEURS NUMÉRISENT LES SONS.

Les ordinateurs savent numériser un son, puis le traiter, par exemple le compresser, le filtrer, lui ajouter des effets sonores, et enfin le jouer sur les haut-parleurs. Pour ce faire, le son est d'abord transformé par le micro en signal audio électrique qui est présenté à la carte son qui va le numériser avant le traitement par l'ordinateur. Le signal traité peut être transformé en son par les haut-parleurs. haut- parleurs microCAN

CNAle son

s(t) signal

électrique

signal bloquésignal s(t) numérisé signal traité carte son DSP le son

Traitement

du signal numérisé micro- processeur haut- parleurs microCAN

CNAle son

s(t) signal

électrique

signal bloquésignal s(t) numérisé signal traité carte son DSP le son

Traitement

du signal numérisé micro- processeur

Traitement

du signal numérisé micro- processeur

Définition : son

Le son est une vibration de l'air qui se propage avec des caractéristiques variables d'intensité, de fréquence, de portée, d'écho, ... L'oreille humaine est sensible aux sons dans certaines limites d'intensité et de fréquence, c'est le processus de l'audition. Quand les cordes vocales créent des sons, c'est la voix et le processus de la phonation.

Définition : micro

Le microphone (abréviation micro) est le capteur utilisé par l'ordinateur pour transformer le son en signal électrique, que l'on appelle signal audio. Le micro est ainsi un transducteur électro-acoustique.

Définition : carte son

La carte son réalise l'interface entre l'unité centrale de l'ordinateur, le micro et les haut-parleurs. On y trouve des bornes électriques pour échanger les signaux :

1. la borne micro reliée à l'entrée du CAN, acronyme pour Convertisseur Analogique

Numérique afin de numériser le signal électrique issu du micro.

2. la borne haut-parleur est reliée à la sortie du CNA ou Convertisseur Numérique

Analogique qui synthétise des sons audibles par blocage d'ordre zéro.

3. la borne line, qui permet d'échanger des signaux audio avec d'autres appareils

Si la carte son est amovible, on y trouve également un connecteur de bus pour les échanges de données avec l'unité centrale. Parfois, on y trouve aussi un processeur DSP pour traiter le signal audio directement dans la carte son.

Jean-Paul Stromboni, ESSI le 02/03/2005

Exemple : carte son

Sur la carte son amovible représentée ci-dessous, on peut repérer à droite les bornes électriques utilisables pour brancher micro et haut-parleurs, et le connecteur de bus en bas. Sur la carte, on repère le CNA (en anglais DAC), le DSP, microprocesseur spécialisé, et sans doute le CAN en bas au centre.

Définition : CAN

Le convertisseur analogique numérique ou CAN est un circuit intégré électronique capable de numériser le signal électrique présenté à la borne micro de la carte son.

Définition : CNA

Le CNA (pour convertisseur numérique analogique) est un circuit intégré qui constitue à partir d'un signal numérique un signal électrique utilisable sur la borne haut-parleur de la carte son en utilisant la technique du bloqueur d'ordre zéro.

Définition : haut-parleurs

Les haut-parleurs sont des transducteurs électroacoustiques capables de traduire un signal électrique en vibration sonore de l'air, d'où un son. C'est l'inverse du micro.

Définition : DSP

Un DSP est un microprocesseur spécialisé capable de traiter les signaux associés aux sons plus rapidement et plus efficacement que les microprocesseurs à usage général. DSP est l'acronyme pour Digital Signal Processor, qui signifie Processeur de Signal Numérique. Digital est la traduction anglaise de numérique.

Trois bornes :

micro, line et haut-parleurs

Liaison par bus avec le

micro processeur CNA CAN

Jean-Paul Stromboni, ESSI le 02/03/2005

THÈME 2

LES DIFFÉRENTES FORMES POSSIBLES DU SIGNAL AUDIO. Les propriétés du signal audio électrique issu du microphone subissent plusieurs transformations dans la carte son. C'est au départ un signal continu et un signal analogique, avant de devenir un signal discret et surtout un signal numérique.

Définition : signal audio

Un signal habituellement est une fonction du temps créée par un capteur pour mesurer une grandeur physique. Le signal audio est un cas particulier de signal qui traduit la mesure d'un son. Présenté à l'entrée du CAN, ce signal issu du micro est en réalité une tension électrique qui reproduit les vibrations de l'air. Cette tension est proportionnelle à tout instant à la pression de l'air mesure donc l'intensité instantanée du son. On la représente aisément dans un chronogramme.

Formalisation : signal audio

On note s(t) l'intensité ou valeur instantanée du signal audio, en Volt à la sortie du micro et à l'entrée des haut-parleurs, t est le temps exprimé en seconde (s).

Précision : signal audio

L'intervalle des valeurs permises au signal audio )(ts reste limité à ]1,1[IVP, c'est-à-dire que tts ],1,1[)( ou encore que tts,1)(1.

Définition : chronogramme

Quand on représente au cours du temps un signal audio, avec le temps en abscisse et l'intensité en ordonnée, on obtient un chronogramme.

Jean-Paul Stromboni, ESSI le 02/03/2005

Exemple : chronogramme, signal audio, Goldwave

Le chronogramme d'un signal audio est tracé ici par Goldwave. On peut y lire la durée sec5,9 et l'ordre de grandeur de l'intensité %10.

Définition : signal sinusoïdal

Un signal sinusoïdal est un signal dont l'intensité prend la forme suivante : )2cos()( 0 tfats ou )2sin()( 0 tfts, où a est l'amplitude, la phase ou déphasage, et 0 f la fréquence.

Précision : signal sinusoïdal

On appelle note pure un signal audio sinusoïdal, c'est la note de musique la plus simple. Ainsi, la tonalité téléphonique est une note pure LA3 de fréquence 440 Hz que tout un chacun peut entendre avant de composer un numéro de téléphone. Exemple : signal continu, signal sinusoïdal, signal analogique, Le chronogramme suivant est tracé par la fonction plot(.) de Matlab à partir de l'expression mathématique du signal )4402cos(9.0)(tts C'est le chronogramme d'un signal sinusoïdal, analogique et continu. Sur le chronogramme, on propose de s'exercer à retrouver :

1. 5 périodes du signal, et une durée d'environ 11ms,

2. la période ms2,2 du signal et sa fréquenceHz440, 3. l'amplitude : 9.0 de la sinusoïde.

Jean-Paul Stromboni, ESSI le 02/03/2005

Définition : signal analogique

Un signal audio est analogique quand l'intensité peut prendre toute valeur dans l'intervalle IVP des valeurs permises soit ]1,1[ , c'est le cas du signal issu du micro.

Définition : signal continu

Un signal est continu (abréviation de " à temps continu») quand on peut mesurer son intensité à tout instant de l'enregistrement, c'est le cas du signal issu du micro.

Définition : signal discret

Un signal discret (à temps discret) est une suite de valeurs mesurées périodiquement sur un signal continu, son intensité n'est connue qu'aux instants de mesure.

Exemple : signal discret

Le signal suivant est constitué de 100 mesures représentées en rouge et opérées sur un signal continu qui est indiqué par un trait pointillé bleu.

Définition : signal numérique

Un signal numérique possède une intensité quantifiée qui ne peut prendre qu'un nombre fini de valeurs différentes dans l'intervalle des valeurs permises

1,1IVP.

Exemple : signal numérique

Le signal ci-dessous (en rouge) est numérique dans la mesure où on peut vérifier qu'il ne sait prendre que 8 valeurs différentes sur la figure.

On complétera ces valeurs :

,...75.0,5.0,25.0,0.

Jean-Paul Stromboni, ESSI le 02/03/2005

Définition : Matlab

MATLAB (ou Matrix Laboratory) est un logiciel de calcul et de simulation basé sur le calcul matriciel et utilisé dans le domaine du Traitement du Signal et des Images, et dans de nombreux domaines scientifiques et techniques. Il sera utilisé dans la suite de ce cours pour analyser, traiter et représenter les sons numériques, ce qui donnera l'occasion d'apprendre à s'en servir. Quand on parle de Matlab, il peut être intéressant de connaître l'existence de Scilab proche de MATLAB, et pourtant gratuit, créé et développé par l'INRIA Rocquencourt.

Définition : Goldwave

Goldwave est un shareware qui peut être utilisé en Travaux Pratiques pour enregistrer, observer et traiter les sons numériques, la version d'évaluation est accessible sur le site www.goldwave.com

Définition : bloqueur d'ordre zéro

Un bloqueur d'ordre zéro constitue un signal continu c'est-à-dire qui dure dans le temps en partant d'une suite de valeurs instantanées arrivant à intervalles de temps réguliers. Le principe est de maintenir la dernière valeur arrivée jusqu'à l'arrivée de la valeur suivante, il en résulte un signal constant par morceaux que l'on appelle signal bloqué. Blocage d'Ordre Zéro (ou BOZ) se dit Zero Order Hold (ZOH) en anglais. Exemple : bloqueur d'ordre zéro, signal bloqué Le chronogramme créé ci-dessous avec la fonction stairs(.) de MATLAB met en

évidence l'aspect caractéristique d'un signal bloqué, ou créé par blocage d'ordre zéro,

c'est-à-dire constant par morceaux. On vérifie qu'il s'agit d'un signal à temps continu.

Jean-Paul Stromboni, ESSI le 02/03/2005

THÈME 3 LES PARAMÈTRES DE LA NUMÉRISATION DU SIGNAL AUDIO Pour numériser un signal audio, il faut choisir une fréquence d'échantillonnage et fixer une longueur binaire ou nombre de bit pour coder chaque échantillon.

Définition : numériser

La numérisation d'un signal audio consiste en pratique à le découper doublement :

1/ d'abord selon l'axe des temps, et on nomme échantillonnage ce découpage et

période d'échantillonnage l'épaisseur des tranches de temps

2/ ensuite, selon l'axe des intensités, et on nomme quantification ce découpage dont la

finesse des tranches est le pas de quantification.

Définition : échantillonnage

L'échantillonnage du signal audio est la mesure périodique de son intensité, au rythme de la période d'échantillonnage. On nomme échantillons les valeurs mesurées aux instants d'échantillonnage.

Exemple : échantillonnage

Le CAN ou Convertisseur Analogique Numérique est le circuit intégré électronique de la carte son qui mesure l'intensité du signal audio du micro au rythme d'une période d'échantillonnage, et qui le code en binaire dans des mots de longueur binaire donnée.

Formalisation : échantillonnage

Les instants d'échantillonnage sont les instants en nTt, avec n entier. Les échantillons sont les valeurs de )(ts aux instants d'échantillonnage. e nTte tsnTs On peut les déterminer (1) sur le chronogramme et (2) à partir de l'expression )(ts.

Définition : période d'échantillonnage.

La période d'échantillonnage est le laps de temps qui sépare deux échantillons successifs. On note e T la période d'échantillonnage qui s'exprime en seconde (s).

Jean-Paul Stromboni, ESSI le 02/03/2005

Définition : fréquence d'échantillonnage. La fréquence d'échantillonnage est le nombre d'échantillons mesurés par seconde, c'est donc exactement l'inverse de la période d'échantillonnage.

On note

e f la fréquence d'échantillonnage qui s'exprime en Hertz (Hz) : eequotesdbs_dbs35.pdfusesText_40

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