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Audio Numérique ENSEA 2006-2007 1 Laurent Saïd (98) ST Microelectronics 12, avenue Jules Horowitz 38000 GRENOBLE 06.71.58.40.49 email : [email protected] 1 Audio Numérique ENSEA 2006-2007 2 2 3 Audio Numérique ENSEA 2006-2007 Plan de la présentation Perception-Audition Signaux Numériques Précision - Dynamique Fréquence d’échantillonnage Conclusion 3 4 ENSEA 2006-2007 Mécanisme de l’audition • Système auditif périphérique • Oreille externe: •transmission aérienne • Oreille Moyenne: •transmission mécanique • Oreille interne: •transmission hydromécanique Audio Numérique •Transmission électro-chimique • Système auditif central • Nerf auditif • Cortex Audio Numérique ENSEA 2006-2007 5 Anatomie de l’oreille Oreille Externe ENSEA 2006-2007 6 Audio Numérique Fonction de transfert Audio Numérique ENSEA 2006-2007 7 Oreille Moyenne 1. 2. 3. 4. 5. 6. Marteau Enclume Étrier Tympan Fenêtre ronde 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 Fonction de Transfert OM Audio Numérique ENSEA 2006-2007 8 H(f)=Pv/Pt Pv Pression acoustique au vestibule Pt Pression acoustique au tympan Audio Numérique ENSEA 2006-2007 9 Oreille Interne 1. Canal antérieur 2. Ampoule (du même canal) 3. Ampoule (canal horizontal) 4. Saccule 5. Canal cochléaire 6. Hélicotrème 7. Canal latéral (horizontal) 8. Canal postérieur 9. Ampoule (canal postérieur) 10. Fenêtre ovale 11. Fenêtre ronde 12. Rampe vestibulaire 13. Rampe tympanique 14. Utricule Oreille Interne: Coupe de la cochlée ENSEA 2006-2007 10 Audio Numérique Transmission électro-chimique Transmission hydromécanique Audio Numérique ENSEA 2006-2007 11 Système Auditif Central Perception de la force sonore Audio Numérique ENSEA 2006-2007 12 Courbe d’isosonie Audio Numérique ENSEA 2006-2007 13 Effet de masque simultané Audio Numérique ENSEA 2006-2007 14 Bandes critiques 15 Effet de masque temporel ENSEA 2006-2007 Niveau du son « juste masqué » Réactif Audio Numérique Masquant Proactif Audio Numérique ENSEA 2006-2007 16 Perception de la hauteur Stevens & Volkman 1940 Non linéaire Echelle perceptuelle Mel ( x) . log 2 (1 x ) 17 Audio Numérique ENSEA 2006-2007 Plan de la présentation Perception-Audition Signaux Numériques Précision - Dynamique Fréquence d’échantillonnage Conclusion 17 ENSEA 2006-2007 18 PCM : Pulse Code Modulation Opérations lors de la numérisation: Temps • Echantillonnage • Quantification Audio Numérique Temps Temps ENSEA 2006-2007 19 Echantillonnage Théorème • Shannon (1948) • Kotel’nikof (1933) • Nyquist (1928) • Whittaker (1915) Audio Numérique Théorème de reconstruction ENSEA 2006-2007 20 Quantification Introduit du bruit: • Corrélé au signal • Probabilité uniforme Audio Numérique • Puissance f(nombre de pas) ENSEA 2006-2007 21 Dither soustractif et non-soustractif Ajout d’un bruit avant la quantification: b(n) + X(n) + - Y(n) Quantification + Channel b(n) Audio Numérique + X(n) + Y(n) Quantification Channel Audio Numérique ENSEA 2006-2007 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 Audio Numérique ENSEA 2006-2007 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 Audio Numérique ENSEA 2006-2007 Plan de la présentation Perception-Audition Signaux Numériques Précision - Dynamique Fréquence d’échantillonnage Conclusion 24 Audio Numérique ENSEA 2006-2007 25 Effet du dithering sur la précision Spectre d’un signal quantifié sur 16 bits à -90dB de la pleine échelle ENSEA 2006-2007 26 Perception du bruit de quantification Bruit de quantification avec dithering sur 16 bits pleine échelle à 114dBspl Audio Numérique Dynamique Audio Numérique ENSEA 2006-2007 27 Cas du CD: Fe=44.1 kHz 120dBspl 16 bits Audio Numérique ENSEA 2006-2007 28 Après le CD: Quantification sans dithering Audio Numérique ENSEA 2006-2007 29 Autres bruits: bruit de fond des salles Un son à -15dB en dessous du niveau du bruit de fond peut être perçu Audio Numérique ENSEA 2006-2007 30 Autres bruits: bruit d’enregistrement 31 Audio Numérique ENSEA 2006-2007 Plan de la présentation Perception-Audition Signaux Numériques Précision - Dynamique Fréquence d’échantillonnage Conclusion 31 ENSEA 2006-2007 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 Audio Numérique complexe ? •Traitement plus simple à ces fréquences ? ENSEA 2006-2007 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 Audio Numérique •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) Audio Numérique ENSEA 2006-2007 34 Alors, quelle Fréquence d’échantillonnage ? Etendue du spectre audio Audio Numérique ENSEA 2006-2007 35 Exemple: La cymbale “Crash” ENSEA 2006-2007 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 : Audio Numérique • on distingue mieux le premier plan et le deuxième plan •Mais : •Haut-parleur sans rendu ultrasonique •Acuité auditive standard ENSEA 2006-2007 37 Considérations temporelles(2/2) Le filtrage anti repliement et de reconstruction: • Pentes plus raisonnables • Phase linéaire que dans la bande utile Audio Numérique => 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 Audio Numérique ENSEA 2006-2007 38 Réponses impulsionelles des filtres 39 Audio Numérique ENSEA 2006-2007 Plan de la présentation Perception-Audition Signaux Numériques Précision - Dynamique Fréquence d’échantillonnage Conclusion 39 ENSEA 2006-2007 40 Conclusion Transparence: • PCM 19bits, 52kHz (sans post-traitements) Qualité: • Il faut considérer les aspect temporels • Il faut considérer la chaine de production complète Audio Numérique • Il faut accroitre la dynamique a chaque traitement L’appareil auditif est un très bon organe de perception.
