La musique HD pratico pratique

C’est une erreur de croire nécessairement faux ce qu’on ne comprend pas.
[Gandhi]
Extrait des Lettres à l’Ashram


Afin de mieux comprendre de quoi on parle et de relativiser les chiffres purement marketing, j’ai demandé à Eric Juaneda de nous expliquer les arcanes du numérique de ses débuts à nos jours, ce que l’on est en droit d’attendre et ce qui nous est véritablement livré dans nos « assiettes ».

Il est plus qu’intéressant de constater à quel point nous sommes influençables et crédules lorsqu’il s’agit d’évoquer la musique dématérialisée, la musique HD, la musique depuis un disque dur informatique, depuis une clé USB, un compact disque, liste non exhaustive, on pense avoir un avis, mais il se fonde sur quoi en réalité?

Mais qu’entendons nous exactement?
Sommes nous tous égaux devant la technologie du numérique?

Entrons si vous le voulez bien dans le vif du sujet, en espérant que ces quelques explications vous permettrons de mieux appréhender la musique sous format numérique, quelque soit sa résolution.


Eric c’est quoi pour toi de la musique HD ?

Il est difficile de répondre à cette question sans tomber dans l’excès et rester compréhensible.
Avec la profusion d’appareil dit 24 bits, les discussions sur les forums, les annonces publicitaires, on assiste à une banalisation du 24 bits, comme si c’était la nouvelle normalité vers un lendemain qui sera sans doute encore plus chantant.

Attention aux dénominations commerciales trompeuses!

Il faut bien comprendre que transcrire un signal musical avec une précision de 16 bits est déjà un exploit.
Transcrire un signal musical avec une précision de 24 bits excède ce que la technologie actuelle est capable de faire ! Mettre en oeuvre un système 24bit 192kHz est ce qu’il y a de plus ambitieux !

A) Notion de grandeur

Pour bien comprendre tout cela il faut revenir à quelques valeurs physiques de base.
Dans le graphique suivant figure à la même échelle les différents niveaux de chacun des bits traités par votre convertisseur numérique analogique.

Les valeurs de 1 à 24 représentent les 24 bits de votre convertisseur.
La valeur numérique inscrite au dessus de chaque colonne (32768, 16384, 8192…) représente la valeur numérique du bit (sa grandeur, son importance comparé aux autres).

convertisseur numérique et la valeur du bit

Sans être un spécialiste, on comprend rapidement que les bits numérotés de 1 à 10 vont influer en force sur la sortie de votre convertisseur, tandis que ceux numérotés de 11 à 24 vont influer sur la précision et la finesse de celui-ci.
Chaque bit ajouté à droite à une valeur deux fois moindre que son prédécesseur de gauche.

Première constations : en passant de 16 à 24 bits on va gagner en finesse et définition, pas en punch
ni puissance puisque ce sont les bits de 1 à 10 qui dans notre exemple agissent en puissance.

Dans le jargon technique on peut lire qu’un convertisseur 16bits à une dynamique de 96db et un convertisseur 24bits à une dynamique de 144db.

La définition de la dynamique étant la division du signal le plus fort divisé par le palier le plus faible.
En lisant ces mots on peut avoir l’impression qu’il va y avoir plus de punch et de puissance avec 144db qu’avec 96db, en fait Il n’en est rien !

Le signal ne va pas sortir plus fort, il est normalisé à 2V RMS, ni plus vite car limité à 20kHz.
Dans ce cas il est préférable de parler de 96db ou 144db de définition qui à une connotation plus réaliste que le terme dynamique.

Ce que nous nommons dynamique subjective est lié aux qualités analogiques de votre convertisseur numérique analogique et de ses étages de sortie, à la qualité de son alimentation, à la précision de l’horloge et, dans une moindre mesure, de l’algorithme de suréchantillonnage utilisé.

Cette notion de dynamique subjective est indépendante de la résolution du signal audio.
Ainsi un convertisseur jugé mou à 16bit le sera tout autant à 24bit.
Tandis qu’un convertisseur jugé dynamique à 16bit le sera tout autant à 24 bit.

b) Grandeurs physiques

Le tableau ci dessous reprend les mêmes valeurs que notre premier graphique en y ajoutant des grandeurs physiques.
La première colonne représente chacun des 24 bits.
La colonne numéro deux représente la valeur numérique du bit, et les colonnes 3 et 4 la tension de sortie, exprimée en volt,
de votre convertisseur.

La somme de tous les bits représentant les +/-2V RMS de sortie normalisés.

2V RMS = 2,828427125 V en crête = 5.65668 V crête à crête.

Tableau des valeurs numériques

Pour un non initié, la valeur de 337nV ne veut pas dire grand chose.
Une simple résistance génère 800nV de bruit (de souffle) et un excellent régulateur de tension dit faible bruit est donné pour n’avoir que 20μV de bruit de sortie.
Vous imaginez aisément que cette valeur théorique de 337nV, si elle arrivait à être générée, ne traverserait pas qu’un seul composant et serait rapidement altéré.

c) Précision

Nous n’avons pas encore abordé l’importance du signal d’horloge qui séquence la conversion numérique analogique et l’impact du fameux jitter.

Justement, Le jitter qu’est ce que c’est?

Un bruit de phase, vous diront les spécialistes !
Une horloge qui contient du jitter c’est une horloge qui à la tremblote.
Comme si la trotteuse de votre montre ne se déplaçait pas précisément toutes les secondes, mais un petit coup avant et un petit coup en arrière.
Cela ne l’empêchera pas d’être précise à la minute près car la sommes des erreurs un poil en avance sera compensée par la somme des erreurs un poil en retard.

Tout le travail interne du convertisseur numérique analogique est rythmé par un signal d’horloge?

Cette horloge est en grande partie utilisée pour les besoins du filtre numérique de suréchantillonnage embarqué dans le convertisseur.
Jusque là le jitter n’est pas vraiment important, nous sommes dans le traitement d’information purement numériques et le jitter n’affecte pas le contenu des donnés, un 1 reste un 1 et un zéro reste un zéro.

Toutefois cette horloge est aussi utilisée pour séquencer la sortie des échantillons analogiques.
C’est précisément à ce moment qu’il est important de minimiser toute forme de jitter car il va se mélanger au signal analogique. Il sera ensuite impossible de s’en défaire et fera partie intégrante du signal audio.

Une représentation graphique simplifie la compréhension.

Sur le schéma suivant sont représentées trois valeurs numériques (choisies arbitrairement à 3214, 3215, et 3216).
Cela représente trois paliers consécutifs qu’un convertisseur est capable de reproduire.

La double flèche rouge représente l’erreur acceptable liée à l’imprécision de la conversion numérique analogique, la double flèche bleue représente l’erreur acceptable liée à des erreurs d’horloge (jitter).

L’erreur réelle sera la somme de ces deux erreurs.

Cette erreur doit rester à l’intérieur du cercle de zone d’erreur tolérée.

Précision du signal de l'horloge

On voit que la précision de la conversion numérique analogique et que la précision du signal d’horloge joue à part égale.
Ces deux erreurs combinées sont circonscrites dans ce que l’on peut nommer un cercle de précision acceptable (zone d’erreur tolérée).

Sur le second graphique, est représenté à la même échelle le cercle de précision acceptable pour des résolutions de 16, 20 et 24 bits.
Cela donne une idée des niveaux de précision nécessaires.

Seuil de précision des différentes résolutions

Vous constaterez que l’augmentation du nombre de bits implique aussi l’augmentation de la précision du signal d’horloge.

Point non technique

Beaucoup de gens ne comprennent pas comment le jitter peut affecter le signal audio puisque les
données sont enregistrées en numériques; un 1 reste un 1 et un 0 reste un 0.
Ecouter un signal audio contenant du jitter c’est comme regarder une image montée sur un vibreur. Si le contenu de l’image
n’est pas affecté, la perception que vous en aurez le sera.

Spécifications constructeur

Sur le catalogue des fabricants de composants comme Texas Instruments, Burr-Brown, Wolfson, ESS… ne figurent aujourd’hui, dans le domaine audio, que des convertisseurs numériques analogiques 24 bits.
L’étude de la documentation techniques montre que la linéarité de la majorité de ces composants n’excède guère la résolution d’un convertisseur 16 bit.
Seuls les modèles haut de gamme permettent d’atteindre une résolution qui avoisine 20 bits ou légèrement plus.

Si tous les composants de type convertisseur sont capables d’ingérer les 24 bits, peu d’entre eux sont capables de les restituer au delà de 16.

La mise en oeuvre du circuit doit aussi être exemplaire. Il ne suffit pas d’acheter un composant capable de restituer 20 bit de données, il faut aussi lui fournir un environnement dans lequel il sera en mesure d’y arriver.

Le cas des studios d’enregistrement?

Nous n’avons abordé ici que la problématique du convertisseur numérique analogique qui se trouve dans votre DAC ou lecteur CD.
Les studios d’enregistrement sont logés à la même enseigne.
Ils rencontrent les mêmes limitations sur leurs convertisseurs analogiques numériques; difficile voir impossible de convertir avec une précision dépassant les 20 bits.

Un bon microphone de studio affiche 120/130db de dynamique (ce qui est exceptionnel) et un rapport signal sur bruit de 81db soit l’équivalent de 13,45 bits de niveau de bruit !
La seule source 24 bits est le synthétiseur !

Que faut-il retenir de tout cela ?

-Reproduire un signal musical avec 16 bits de précision constitue déjà un exploit,
-Reproduire un signal musical avec 24 bits de précision excède ce que la technologie actuelle est capable de faire,
-La précision de l’horloge (minimiser le jitter) doit être proportionnelle à la précision du convertisseur,
-La plupart de convertisseurs du marché acceptent 24 bits mais n’en restituent guère plus de 16,
-La résolution d’un signal haute définition est voisine de 20 bits réels,
-Ajouter un bit de précision double la résolution, double la précision requise par l’horloge, double la
complexité de fabrication…double le prix de l’équipement !

Que va-t-on réellement gagner en passant à 96kHz, 192kHz, 352,8kHz ?

Nous n’avons pas abordé la problématique du filtre de suréchantillonnage.
Depuis la sortie des lecteurs CD 14 bits de Philips dans les années 80, tous les lecteurs CD et appareils numériques sont équipés d’un filtre de suréchantillonnage 4x voir 8x.

4 x 44.1kHz = 176.4kHz
8 x 44.1kHz = 352.8kHz

Ce filtre numérique à été conçu en vue de simplifier la complexité du filtrage analogique de sortie des équipements numériques qui leur permet de fournir un signal analogique sans escaliers.
Sans ce filtre numérique, un filtre analogique d’ordre 8 ou 10 serait nécessaire; l’effet sur la qualité sonore serait désastreux.

Ce filtre de suréchantillonnage est en théorie sans effet sur la qualité du son puisque travaillant au delà de 22kHz.


Arrivé à ce stade de la compréhension, il nous reste à parler de superclock, de liaison HDMI, du 24bit / 192kHz et de solution de stockage.
C’est l’objet de la seconde partie de ce compte rendu sur la musique en haute définition.


Cet article a été rédigé par Eric Juaneda et Marc PHILIP, rédacteurs indépendants, tous droits réservés, copyright 2011, les textes et photos sont la propriété de l’auteur et du magazine, sous licence creative commons.

Bon divertissement.

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