Comprendre les bases des fichiers audio numériques

Si vous êtes dans la fin de la quarantaine ou plus, vous avez probablement grandi avec une platine vinyle ou un lecteur de cassettes à la maison pour écouter de la musique achetée en magasin. Entre 1982 et 1983, le disque compact est entré sur le marché et a changé à jamais la façon dont la musique était stockée et transportée. Dans cet article, nous allons examiner le fonctionnement de l'audio numérique et dissiper certains des mythes entourant la conversion entre les domaines analogique et numérique.

Qu'est-ce que l'audio numérique ?

En termes simples, un fichier audio numérique est une représentation d'un signal analogique à l'aide d'une série de mots numériques. Dans le domaine numérique, c'est-à-dire un ordinateur, les informations peuvent être stockées sous forme de 1 ou de 0.

Les ordinateurs peuvent combiner des chaînes de 1 et de 0 pour représenter des caractères dans un document texte, des couleurs dans une photographie, des commandes dans un programme ou des niveaux de tension dans un fichier audio.

Pendant des décennies, la norme de stockage audio dans le domaine numérique a été la norme Red Book Compact Disc Digital Audio (CD-DA) d'un taux d'échantillonnage de 44,1 kHz avec une profondeur de 16 bits.

Le taux d'échantillonnage décrit la fréquence à laquelle un niveau de tension est mesuré et stocké. Pour capturer l'intégralité du spectre sonore audible, le théorème d'échantillonnage de Nyquist-Shannon stipule que le taux d'échantillonnage doit être au moins deux fois plus élevé que la fréquence la plus élevée que vous souhaitez enregistrer pour qu'il soit recréé avec précision.

La deuxième considération lors de la conversion d'un signal analogique dans le domaine numérique est la nécessité de stocker une quantité de résolution adéquate pour représenter correctement le signal d'origine. La norme Red Book utilise une longueur de mot numérique de 16 bits. Cela signifie qu'il existe une chaîne de 16 1 et 0 qui peut être utilisée pour représenter 65 536 niveaux de tension. Si vous convertissez la sortie d'un microphone en numérique et que la tension maximale est de 1 volt, une résolution de 16 bits signifie que la résolution est de 0,000015258789 volts. C'est beaucoup de détails.

Enfin, la norme Red Book stipule que deux canaux audio seront échantillonnés simultanément pour créer un enregistrement stéréo.

Quelques calculs rapides sur l'audio de qualité CD

Pour les personnes intéressées, il est facile de calculer le débit binaire effectif d'un fichier audio de qualité CD. Puisque nous échantillonnons le signal audio à 44 100 fois par seconde, et que chaque échantillon a un niveau de tension représenté par un mot de 16 bits, et que nous le faisons pour deux canaux, 44 100 fois 16 fois deux font 1 411 200, ou 1,411 kilobits par seconde.

Pour calculer combien d'espace il faudrait pour stocker une chanson comme "Bohemian Rhapsody" de Queen, vous pouvez simplement multiplier 1 411 200 par le nombre de secondes de la chanson (dans ce cas, 355 secondes) pour un total de 500 976 000 bits, soit environ 60 mégaoctets de données.

Comment les fichiers audio numériques sont-ils créés ?

Un appareil appelé convertisseur analogique-numérique (ADC) est chargé de prendre le signal analogique et de le convertir en une valeur représentée numériquement. Ces appareils sont courants et se retrouvent connectés au micro de votre smartphone ou au micro Bluetooth de votre voiture. Ils sont incroyablement compacts et, par rapport au moment où ils ont été introduits pour la première fois, peu coûteux.

ADC fonctionne de plusieurs manières, mais nous décrirons les bases. Imaginez, si vous voulez, une série de commutateurs comparateurs, chacun empilé l'un sur l'autre et référencé à une tension toujours croissante. Nous allons garder l'exemple simple et dire que nous avons huit commutateurs, chacun étant déclenché à

incréments de 0,125 volt. Si nous envoyons un signal analogique dans notre arborescence de commutateurs de comparateur avec un niveau de 0,3 volt, les deux commutateurs du bas s'allumeront et nous obtenons le mot numérique 0010 (qui est 2). Si nous augmentons la tension à 0,8 volt, nous déclenchons tous les interrupteurs sauf les deux derniers et obtenons le mot 0110 (qui est 6).

Compter en numérique

Compter en numérique est facile, une fois que vous avez compris comment cela fonctionne. Chaque espace dans un mot numérique représente une valeur de 2 à la puissance de l'emplacement. Ainsi, le premier espace est 2 à la puissance 0, qui est 1. Le deuxième espace est 2 à la puissance 1, qui est 2, l'espace suivant est 2 à la puissance 2, qui est 4, et ainsi de suite.

2^0 =1 2^1 =2 2^2 =4 2^3 =8

Pour encoder une valeur à l'aide de ce format, nous attribuons simplement un 1 ou un 0 à chaque espace réservé de sorte que les valeurs de somme représentées par les espaces réservés avec un 1 représentent la valeur d'origine.

0000 =0 0001 =1 0010 =2 0011 =3 0100 =4

0101 =5 0110 =6 0111 =7 1000 =8

Dans notre exemple ci-dessus, nous utilisons une très faible résolution de 3 bits, ce qui signifie que nous ne pouvons afficher que huit niveaux différents. Cette résolution limitée, bien sûr, introduit une certaine erreur - connue sous le nom d'erreur de quantification. Les calculs peuvent devenir très compliqués très rapidement. Qu'il suffise de dire que dans notre exemple, notre numériseur théorique ne connaît pas la différence entre une tension de 0,63 et 0,73 volts. Il s'agit d'une erreur importante et ne fonctionnerait pas dans une tentative d'échantillonnage audio. Heureusement, notre résolution 16 bits nous offre 65 536 niveaux parmi lesquels choisir.

Qu'en est-il de ces graphiques en escalier fou ?

Vous avez sans aucun doute vu des images marketing montrant une comparaison entre la résolution audio de qualité CD et l'audio haute résolution 96 kHz, 24 bits.

Bien que le concept d'avoir un taux d'échantillonnage plus élevé et une résolution plus élevée soit précis, cela ne signifie pas que le signal audio de qualité CD en souffre de quelque manière que ce soit.

Pour le démontrer, nous avons créé deux tonalités de test de 20 kHz dans Adobe Audition. La première piste a un taux d'échantillonnage de 96 kHz et une résolution de 24 bits.

Comme vous pouvez le constater, la forme d'onde semble fluide et détaillée et affiche environ cinq échantillons par cycle.

La deuxième piste est la même onde sinusoïdale de 20 kHz stockée à une fréquence d'échantillonnage de 44,1 kHz et une résolution de 16 bits.

Comme vous pouvez le voir, il n'y a pas de différence significative dans la forme des deux formes d'onde. Plus important encore, ils ressemblent tous les deux à des ondes sinusoïdales et aucun d'eux n'a de marchepied.

Comprendre l'audio numérique

Le stockage du signal audio dans le domaine numérique offre des avantages distincts en matière de conditionnement et de fiabilité par rapport aux supports de stockage analogiques tels que les disques vinyles et les bandes magnétiques. Bien sûr, les fichiers numériques ne se dégradent pas avec le temps. Les fichiers numériques sont également insensibles aux problèmes de vitesse de lecture. Si votre tourne-disque ou votre platine cassette joue trop lentement, la musique ne sonnera pas bien.

Dans un prochain article, nous examinerons les options de format de fichier disponibles pour stocker des fichiers audio numériques. D'ici là, assurez-vous de vous rendre chez votre revendeur spécialisé local d'améliorations mobiles pour voir toutes les dernières mises à niveau d'unité source compatible avec les médias numériques disponibles pour votre voiture, camion ou SUV.