Les notions indispensables 3

DÉMATÉRIALISATION: LES BASES

QUE VOUS DEVEZ CONNAÎTRE

 

Préambule: Cet article commençant à aborder des notions un peu techniques, j’ai essayé de le simplifier au maximum: je vous remercie pour votre indulgence et j’espère ne pas avoir fait d’erreur dans mes écrits…

Cet article constitue la suite des Notions indispensables à connaître, et donc des 1er article et 2ème article déjà parus sur notre site.

Nous allons cette fois nous intéresser au filtrage en sortie des DACs, en conservant le sujet le plus délicat, à savoir le Filtrage Numérique, pour un prochain article.

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I-SIGNAL DE SORTIE DU DAC.

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Pour commencer, concentrons-nous sur la sortie des DACs.

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Nous pensons intuitivement tous, que puisqu’il s’agit d’un convertisseur Numérique/Analogique, la sortie du DAC doit être théoriquement “propre et lisse”.

La réalité est totalement différente !

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En effet, comme nous l’avons vu dans les précédents articles, un DAC est un composant qui travaille à partir d’une base de temps (horloge), et entre 2 périodes d’horloge (période que nous avons appelée T)  il ne se passe quasiment rien.

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Voyons la diapositive explicative ci-dessous:

On voit clairement qu’entre le signal idéal en rouge et la sortie réelle du DAC, il y a une énorme différence: et cela est dû au fait que le DAC garde une sortie constante jusqu’au Top d’horloge suivant qui va lui indiquer qu’il doit convertir l’échantillon suivant.

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Entre ces 2 tops il ne peut rien se passer pour lui, puisque le temps est discret de son point de vue, et donc tant qu’il n’a pas reçu l’échantillon suivant à convertir, il ne peut que continuer à donner la valeur convertie précédemment.

En voyant ce signal on comprend aisément que ce n’est pas l’idéal et qu’il faudrait « lisser » ce signal pour supprimer les effets d’escaliers.

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Fort heureusement, cette opération est facile à faire, par exemple avec des filtres de BESSEL qui conservent parfaitement la phase des signaux, à laquelle nos oreilles sont si sensibles.

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II-RÉPONSE EN FRÉQUENCE DU DAC.

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Au-delà de ce que nous venons de voir, la réponse d’une puce DAC en termes de fréquence n’est pas non plus idéale, hélas pour nous !…

En effet, contrairement à ce que l’on pourrait croire, une puce DAC ne se contente pas de reproduire le signal d’origine: il créé également des « images fantômes » du signal d’origine, à des fréquences plus élevées.

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Comme le montre la diapo ci-dessous, ces images fantômes sont répétitives et ont une enveloppe de type sin(x)/x:

Et là encore, il faut donc filtrer ça….

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III-.LE FILTRAGE DANS LE CAS DU CD AUDIO À 44,1 kHz.

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Dans le cas de notre CD Audio à 44,1 kHz, il va falloir filtrer de façon à ce que cette fréquence d’échantillonnage de 44,1 kHz ne parvienne pas jusqu’au préampli.

Or si l’on veut conserver les fréquences jusqu’à 20 kHz qui constituent ce que l’on appelle classiquement “le spectre audible”, on n’a qu’une plage très étroite entre 20 kHz et 44,1 kHz pour y appliquer notre filtre.

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Comme l’on veut éliminer totalement toute trace de notre fréquence d’échantillonnage de 44,1 kHz, cela signifie qu’il va falloir filtrer très très fortement à partir de 20 kHz.

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Ceci est illustré sur la diapo ci-dessous:

Et malheureusement on sait qu’en filtrage analogique, une pente raide de filtrage ne fait pas bon ménage avec respect de la phase….

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IV-.LE FILTRAGE DANS LE CAS DU 192 kHz.

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Cette obligation de filtrage à pente très raide imposée par la fréquence d’échantillonnage de 44,1 kHz est une vraie plaie: les filtres à pente raide n’ont jamais fait bon ménage avec la qualité sonore.

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Si l’on refait le même schéma que ci-dessus, mais sans le cas d’une fréquence d’échantillonnage de 192 kHz, on voit que la plage de fréquences qui sépare nos 20 kHz de la fréquence d’échantillonnage Fs est beaucoup plus étendue: 192.-000 – 20.000 = 172.000 Hz au lieu des 44.100 – 20.000=24.100 Hz seulement.

Cela signifie une marge de manœuvre 7 fois plus étendue que dans le cas du CD-Audio !

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La figure ci-dessous est trompeuse car l’échelle est évidemment logarithmique, mais quelle marge de manœuvre!

Après ce tour d’horizon, quelques conclusions s’imposent:

  • Le signal musical en sortie de la puce DAC doit être encore traité, essentiellement filtré, avant d’être transmis au préampli
  • Les concepteurs initiaux du CD étaient loin d’avoir compris toutes les implications cachées du Théorème de Shannon: il y a un monde d’écart entre le Théorème mathématique qui est incontestable, et son implantation pratique avec des composants électroniques qui ne peuvent pas être parfaits.
  • Les puces DAC utilisées, même celles d’une remarquable qualité, ne font qu’une partie du travail. Il faut les compléter avec:
    • un consciencieux travail en amont lors de la conversion Analogique → Digital, d’une part pour ne pas avoir de fréquences supérieures à la demi-fréquence d’échantillonnage, et ainsi respecter les prérequis du Théorème de Shannon. D’autre part, préserver la dynamique  (96 dB pour le CD audio) en ne cherchant pas à enregistrer “trop fort”: la préservation de la qualité est à ce prix !
    • Un non moins consciencieux travail en aval, notamment au niveau du filtrage. Ce filtrage peut être Analogique ou Numérique: nous verrons les aspects Filtrage Numérique dans un prochain article.
  • Les questions de Timing (horloges) sont vitales en audio numérique: que ce soit lors de l’enregistrement ou lors de la conversion.
  • Les normes du CD audio (16 bits – 44.1 kHz) sont bien insuffisantes pour préserver toute la musique.

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Si les questions liées à la taille des fichiers pouvaient se comprendre dans les années 1980 quand le CD a été introduit, il serait très facile de généraliser le 24/192 de nos jours; Mais des considérations “anti-copie” font que tous les nouveaux formats ont échoués: le DVD-Audio, le SACD, le Bluray audio et le 24-192 ont tous été des échecs commerciaux absolus.

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En clair tout le monde a perdu et surtout les Majors, dont certes les enregistrements n’ont pas été copiés, mais ils ne se sont pas vendus non plus!

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Donc la planète Terre reste scotchée au format CD, et dans l’immense majorité des cas il nous faudra continuer à déployer des efforts colossaux pour écouter de la musique avec une bonne qualité….

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Rendez-vous dans notre prochain article pour traiter des Filtres Numériques, sujet aussi complexe qu’essentiel !

 

Article écrit par Nounours – Avril 2020