Comprendre les bases des fichiers audio numériques

Si vous avez la fin de la quarantaine ou plus, vous avez probablement grandi avec une platine vinyle ou un lecteur de cassettes chez vous comme moyen d'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 comment fonctionne l'audio numérique et dissiper certains mythes autour de la conversion entre les domaines analogique et numérique.

Qu'est-ce que l'audio numérique ?

Dans les termes les plus 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, l'information peut être stockée comme un 1 ou un 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 pour stocker l'audio dans le domaine numérique a été le standard 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 à quelle fréquence un niveau de tension est mesuré et stocké. Pour capturer tout le spectre audible du son, 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 haute que vous voulez enregistrer pour qu'elle soit recréée avec précision.

La seconde considération dans la conversion d'un signal analogique au domaine numérique est le besoin de stocker une quantité adéquate de résolution pour représenter correctement le signal original. Le standard Red Book utilise une longueur de mot numérique de 16 bits. Cela signifie qu'il y a 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, alors une résolution de 16 bits signifie que la résolution est de 0,000015258789 volts. C'est beaucoup de détails.

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

Quelques calculs rapides sur l'audio qualité CD

Pour les intéressés, il est facile de calculer le débit binaire effectif d'un fichier audio qualité CD. Puisque nous échantillonnons le signal audio 44 100 fois par seconde, et que chaque échantillon a un niveau de tension représenté par un mot de 16 bits, et que nous faisons cela pour deux canaux, 44 100 × 16 × 2 = 1 411 200, soit 1 411 kilobits par seconde.

Pour calculer l'espace nécessaire pour stocker une chanson comme « Bohemian Rhapsody » de Queen, vous pouvez simplement multiplier 1 411 200 par le nombre de secondes dans 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 dispositif appelé convertisseur analogique-numérique (CAN ou ADC en anglais) est responsable de prendre le signal analogique et de le convertir en une valeur représentée numériquement. Ces dispositifs sont courants et se trouvent connectés au microphone de votre smartphone ou au microphone Bluetooth de votre voiture. Ils sont incroyablement compacts et, par rapport à quand ils ont été introduits, peu coûteux.

Les CAN fonctionnent de plusieurs façons, mais nous décrirons les bases. Imaginez, si vous voulez, une série de commutateurs comparateurs, chacun empilé au-dessus du suivant et référencé à une tension croissante. Gardons l'exemple simple et disons que nous avons huit commutateurs, chacun déclenché par

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

Compter en numérique

Compter en numérique est facile, une fois qu'on comprend comment ça marche. Chaque position dans un mot numérique représente une valeur de 2 à la puissance de la position. Donc la première position est 2⁰ = 1. La seconde est 2¹ = 2, la suivante 2² = 4, et ainsi de suite.

2⁰ = 1 2¹ = 2 2² = 4 2³ = 8

Pour encoder une valeur avec ce format, on assigne simplement un 1 ou un 0 à chaque position telle que la somme des valeurs représentées par les positions avec un 1 représente la valeur originale.

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 résolution très faible de 3 bits, ce qui signifie qu'on ne peut afficher que huit niveaux différents. Cette résolution limitée introduit bien sûr une certaine erreur – connue sous le nom d'erreur de quantification. Les maths peuvent devenir très compliquées très vite. Suffit de dire que dans notre exemple, notre numériseur théorique ne fait pas la différence entre une tension de 0,63 et 0,73 volt. C'est une grande erreur et cela ne marcherait pas pour échantillonner de l'audio. Heureusement, notre résolution de 16 bits nous donne 65 536 niveaux parmi lesquels choisir.

Qu'en est-il de ces graphiques en escaliers fous ?

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

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

Pour démontrer cela, nous avons créé deux tons de test à 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 voir, la forme d'onde semble lisse et détaillée et montre environ cinq échantillons par cycle.

La seconde piste est la même onde sinusoïdale à 20 kHz stockée à un taux 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, elles ressemblent toutes les deux à des ondes sinusoïdales et aucune n'a d'escaliers.

Comprendre l'audio numérique

Stocker le signal audio dans le domaine numérique offre des avantages distincts d'emballage et de fiabilité par rapport aux supports de stockage analogiques comme les disques vinyles et les bandes magnétiques. Bien sûr, les fichiers numériques ne se dégradent pas avec le temps. Les fichiers numériques sont aussi imperméables aux problèmes de vitesse de lecture. Si votre platine ou votre lecteur de cassettes lit trop lentement, la musique ne sonnera pas bien.

Dans un futur article, nous examinerons les options de formats de fichiers disponibles pour stocker des fichiers audio numériques. D'ici là, passez chez votre revendeur spécialisé en amélioration mobile local pour voir toutes les dernières mises à niveau d'unités de source compatibles multimédias numériques disponibles pour votre voiture, camion ou VUS.