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ENSEA 2006-2007 Audio Numérique 1 Laurent Saïd (98) ST Microelectronics 12, avenue Jules Horowitz 38000 GRENOBLE 06.71.58.40.49

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1 ENSEA Audio Numérique 1 Laurent Saïd (98) ST Microelectronics 12, avenue Jules Horowitz GRENOBLE

2 ENSEA Audio Numérique 2 2

3 ENSEA Audio Numérique 3 Plan de la présentation t Perception-Audition t Signaux Numériques t Précision - Dynamique t Fréquence déchantillonnage t Conclusion 3

4 ENSEA Audio Numérique 4 Mécanisme de laudition 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 ENSEA Audio Numérique 5 Anatomie de loreille

6 ENSEA Audio Numérique 6 Oreille Externe Fonction de transfert

7 ENSEA Audio Numérique 7 Oreille Moyenne 1. Marteau 2. Enclume 3. Étrier 4. Tympan 5. Fenêtre ronde 6. Trompe deustache - (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 ENSEA Audio Numérique 8 Fonction de Transfert OM H(f)=Pv/Pt Pv Pression acoustique au vestibule Pt Pression acoustique au tympan

9 ENSEA Audio Numérique 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

10 ENSEA Audio Numérique 10 Oreille Interne: Coupe de la cochlée Transmission électro-chimique Transmission hydromécanique

11 ENSEA Audio Numérique 11 Système Auditif Central

12 ENSEA Audio Numérique 12 Perception de la force sonore Courbe disosonie

13 ENSEA Audio Numérique 13 Effet de masque simultané

14 ENSEA Audio Numérique 14 Bandes critiques

15 ENSEA Audio Numérique 15 Effet de masque temporel Masquant Niveau du son « juste masqué » Proactif Réactif

16 ENSEA Audio Numérique 16 Perception de la hauteur t Stevens & Volkman 1940 t Non linéaire t Echelle perceptuelle t

17 ENSEA Audio Numérique 17 Plan de la présentation t Perception-Audition t Signaux Numériques t Précision - Dynamique t Fréquence déchantillonnage t Conclusion 17

18 ENSEA Audio Numérique 18 PCM : Pulse Code Modulation Temps Opérations lors de la numérisation: Echantillonnage Quantification

19 ENSEA Audio Numérique 19 Echantillonnage Théorème Shannon (1948) Kotelnikof (1933) Nyquist (1928) Whittaker (1915) Théorème de reconstruction

20 ENSEA Audio Numérique 20 Quantification Introduit du bruit: Corrélé au signal Probabilité uniforme Puissance f(nombre de pas)

21 ENSEA Audio Numérique 21 Dither soustractif et non-soustractif Ajout dun bruit avant la quantification: Quantification Channel X(n) b(n) Y(n) Quantification Channel + + X(n) b(n) Y(n)

22 ENSEA Audio Numérique 22 Dualité fréquence déchantillonnage - quantification Amélioration du RSB par sur échantillonnage: En conversion A/N: Filtre analogique à SFe/2 Echantillonnage à SFe Filtrage / sous-échantillonnage jusquà Fe En conversion N/A: Sur-échantillonnage Filtrage a Fe Conversion N/A à SFe Filtrage à SFe Trois effets

23 ENSEA Audio Numérique 23 Vocabulaire Transparence: Quelque soit les modification du signal audio, le résultat nest pas perceptible par loreille 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 Lerreur est corrélée au signal

24 ENSEA Audio Numérique 24 Plan de la présentation t Perception-Audition t Signaux Numériques t Précision - Dynamique t Fréquence déchantillonnage t Conclusion 24

25 ENSEA Audio Numérique 25 Effet du dithering sur la précision Spectre dun signal quantifié sur 16 bits à -90dB de la pleine échelle

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

27 ENSEA Audio Numérique 27 Cas du CD: Fe=44.1 kHz 120dBspl 16 bits

28 ENSEA Audio Numérique 28 Après le CD: Quantification sans dithering

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

30 ENSEA Audio Numérique 30 Autres bruits: bruit denregistrement

31 ENSEA Audio Numérique 31 Plan de la présentation t Perception-Audition t Signaux Numériques t Précision - Dynamique t Fréquence déchantillonnage t Conclusion 31

32 ENSEA Audio Numérique 32 Spectre audible / Fréquence déchantillonnage Test découte subjectif: x1, x2, x4, x64 Fe CD ou Fe DAT : Hautes Fe préférées Pourquoi ? Sensibilité acoustique différente si spectre complexe ? Traitement plus simple à ces fréquences ?

33 ENSEA Audio Numérique 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 jusquà 25kHz (fort niveaux) Intermodulation dans la bande (pitch perçu ~20kMEL)

34 ENSEA Audio Numérique 34 Alors, quelle Fréquence déchantillonnage ?

35 ENSEA Audio Numérique 35 Etendue du spectre audio Exemple: La cymbale Crash

36 ENSEA Audio Numérique 36 Considérations temporelles(1/2) Lors des test découte a Fe élevée, « cest 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 ENSEA Audio Numérique 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 ENSEA Audio Numérique 38 Réponses impulsionelles des filtres

39 ENSEA Audio Numérique 39 Plan de la présentation t Perception-Audition t Signaux Numériques t Précision - Dynamique t Fréquence déchantillonnage t Conclusion 39

40 ENSEA Audio Numérique 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 Lappareil auditif est un très bon organe de perception.


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