Laurent Saïd (98) ST Microelectronics 12, avenue Jules Horowitz 38000 GRENOBLE 06.71.58.40.49

1. Laurent Saïd (98) ST Microelectronics 12, avenue Jules Horowitz 38000 GRENOBLE 06.71.58.40.49 email : laurent.said@st.com 1

2. Audio Numérique 2

3. Plan de la présentation • Perception-Audition • Signaux Numériques • Précision - Dynamique • Fréquence d’échantillonnage • Conclusion 3

4. Mécanisme de l’audition • Système auditif périphérique • Oreille externe: • transmission aérienne • Oreille Moyenne: • transmission mécanique • Oreille interne: • transmission hydromécanique • Transmission électro-chimique • Système auditif central • Nerf auditif • Cortex

5. Anatomie de l’oreille

6. Oreille Externe Fonction de transfert

7. Oreille Moyenne 1. Marteau 2. Enclume3. Étrier4. Tympan5. Fenêtre ronde6. Trompe d’eustache - (1) Marteau- (2) Ligament du marteau- (3) Enclume- (4) Ligament de l'enclume- (5) Muscle de l'étrier- (6) Platine de l'étrier- (7) Tympan- (8) Trompe d'Eustache- (9) Muscle du marteau- (10) Corde du tympan sectionnée

8. Fonction de Transfert OM H(f)=Pv/Pt Pv Pression acoustique au vestibule Pt Pression acoustique au tympan

9. Oreille Interne 1. Canal antérieur2. Ampoule (du même canal)3. Ampoule (canal horizontal)4. Saccule5. Canal cochléaire6. Hélicotrème7. Canal latéral (horizontal) 8. Canal postérieur9. Ampoule (canal postérieur)10. Fenêtre ovale11. Fenêtre ronde12. Rampe vestibulaire13. Rampe tympanique14. Utricule

10. Oreille Interne: Coupe de la cochlée Transmission électro-chimique Transmission hydromécanique

11. Système Auditif Central

12. Perception de la force sonore Courbe d’isosonie

13. Effet de masque simultané

14. Bandes critiques

15. Effet de masque temporel Niveau du son « juste masqué » Proactif Réactif Masquant

16. Perception de la hauteur • Stevens & Volkman 1940 • Non linéaire • Echelle perceptuelle

17. Plan de la présentation • Perception-Audition • Signaux Numériques • Précision - Dynamique • Fréquence d’échantillonnage • Conclusion 17

18. PCM : Pulse Code Modulation • Opérations lors de la numérisation: • Echantillonnage • Quantification Temps Temps Temps

19. Echantillonnage • Théorème • Shannon (1948) • Kotel’nikof (1933) • Nyquist (1928) • Whittaker (1915) • Théorème de reconstruction

20. Quantification • Introduit du bruit: • Corrélé au signal • Probabilité uniforme • Puissance f(nombre de pas)

21. Dither soustractif et non-soustractif Ajout d’un bruit avant la quantification: b(n) + - Y(n) X(n) + Quantification + Channel b(n) + Y(n) X(n) + Quantification Channel

22. Dualité fréquence d’échantillonnage - quantification • Amélioration du RSB par sur échantillonnage: • En conversion A/N: • Filtre analogique à SFe/2 • Echantillonnage à SFe • Filtrage / sous-échantillonnage jusqu’à Fe • En conversion N/A: • Sur-échantillonnage • Filtrage a Fe • Conversion N/A à SFe • Filtrage à SFe Trois effets

23. Vocabulaire • Transparence: • Quelque soit les modification du signal audio, le résultat n’est pas perceptible par l’oreille humaine. • Sans pertes: • Les signal transformé est bit exacte. • Non-réversible: • Des pertes sont volontairement introduites (afin de compresser par exemple) impliquant: • Plancher de bruit non constant (modulation / masquage fréquentiel) • Le plancher de bruit est mis en forme selon des critères psycho acoustiques • L’erreur est corrélée au signal

24. Plan de la présentation • Perception-Audition • Signaux Numériques • Précision - Dynamique • Fréquence d’échantillonnage • Conclusion 24

25. Effet du dithering sur la précision Spectre d’un signal quantifié sur 16 bits à -90dB de la pleine échelle

26. Perception du bruit de quantification Bruit de quantification avec dithering sur 16 bits pleine échelle à 114dBspl Dynamique

27. Cas du CD: Fe=44.1 kHz 120dBspl 16 bits

28. Après le CD: Quantification sans dithering

29. Autres bruits: bruit de fond des salles Un son à -15dB en dessous du niveau du bruit de fond peut être perçu

30. Autres bruits: bruit d’enregistrement

31. Plan de la présentation • Perception-Audition • Signaux Numériques • Précision - Dynamique • Fréquence d’échantillonnage • Conclusion 31

32. Spectre audible / Fréquence d’échantillonnage • Test d’écoute subjectif: • x1, x2, x4, x64 FeCD ou FeDAT: • Hautes Fe préférées • Pourquoi ? • Sensibilité acoustique différente si spectre complexe ? • Traitement plus simple à ces fréquences ?

33. Perception des fréquences >20kHz • Oreille Moyenne: • Commence à filtrer passe-bas à partir de ~10kHz • Plus grand-chose après 20kHz • Cochlée • Fonctionne Top-Down • Filtre HF est plus proche du tympan • Filtre centré sur 15kHz • Ultra sons par conduction osseuse. • Des son peuvent être perçus jusqu’à 25kHz (fort niveaux) • Intermodulation dans la bande (pitch perçu ~20kMEL)

34. Alors, quelle Fréquence d’échantillonnage ?

35. Etendue du spectre audio Exemple: La cymbale “Crash”

36. Considérations temporelles(1/2) • Lors des test d’écoute a Fe élevée, « c’est mieux »: • Les graves semblent plus nets • Le son est: • plus clair • plus chaud • Plus naturel • Meilleure définition : • on distingue mieux le premier plan et le deuxième plan • Mais : • Haut-parleur sans rendu ultrasonique • Acuité auditive standard

37. Considérations temporelles(2/2) • Le filtrage anti repliement et de reconstruction: • Pentes plus raisonnables • Phase linéaire que dans la bande utile • => Il est possible de concevoir des filtres causaux (ou presque) dont la phase est linéaire dans la bande (apodized filters). Le résultat est très positif

38. Réponses impulsionelles des filtres

39. Plan de la présentation • Perception-Audition • Signaux Numériques • Précision - Dynamique • Fréquence d’échantillonnage • Conclusion 39

40. Conclusion • Transparence: • PCM 19bits, 52kHz (sans post-traitements) • Qualité: • Il faut considérer les aspect temporels • Il faut considérer la chaine de production complète • Il faut accroitre la dynamique a chaque traitement • L’appareil auditif est un très bon organe de perception.