Les mythes du signal numérique

8 janvier 2014

Comme la majorité d’entre vous, j’ai compris que plus la résolution (le nombre de bits) et la fréquence d’échantillonnages (44.1, 48, 96 kHz...) sont élevées, meilleure sera la qualité de l’audio. Malheureusement pour nous, et pour plusieurs professionnels de l’audio, c’est complètement faux!

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Mythe 1 :

Plus la vitesse de l’échantillonnage sera élevée, plus l’audio sera fidèle

On compare souvent la vitesse d’échantillonnage audio (44,1, 48, 96 kHz...) au débit d’images en cinéma ou en vidéo. Tout le monde s’accorde pour dire qu’une séquence vidéo à 30 images à la seconde sera mieux définie qu’à 12 images secondes. Pour certains films récents (comme « Le Hobbit »), on a même augmenté la cadence à 48 images seconde. Tout cela dans le but d’améliorer la qualité et la fluidité de l’image.

 

Pour l’audio, le principe est cependant totalement différent. La vitesse d’échantillonnage est liée à l’étendue de la bande de fréquence représentées. Pour être fidèle, la fréquence d’échantillonnage doit avoir deux fois la valeur de la fréquence à représenter. Sommairement, une vitesse d’échantillonnage de 44,1 kHz permet de reproduire fidèlement toutes les fréquences jusqu’à 22,5 kHz. 

 

L’oreille humaine perçoit les sons de 20 Hz à 20 kHz, c’est un fait établi depuis des décennies (on cherche en vain un loupé de la nature qui entendrait au-delà de cette limite). Et ça, c’est au meilleur de sa forme. Pour un adulte normal, la moyenne tourne plutôt autour de 16-17 kHz. Alors malgré toute la bonne volonté, le talent ou le don des meilleurs ingénieurs de sons de la planète, ils ne perçoivent pas plus que vous les fréquences au-delà de 20 kHz. Puisque la totalité du spectre audible est déjà pleinement représentée dans un signal à 44,1 kHz, les fréquences d’échantillonnages supérieures n’amènent rien d’audible ou d’utile à l’audio. Elles n’augmentent ni sa fidélité, ni sa qualité.

 

À vrai dire, plusieurs tests confirment même que l’échantillonnage à 192 kHz est encore moins fidèle qu’un échantillonnage plus lent. Donc si vous envisagiez de changer votre carte de son actuelle pour une autre offrant cette option, vous voilà prévenu!

 

Mythe 2 :

Le signal numérique pose problème, car tout ce qui tombe entre les échantillons est perdu

Une autre notion très répandue veut que le signal numérique n’offre pas une représentation fidèle de tout ce qui se trouve entre les échantillons, ce qui occasionnerait des erreurs sur les plans de la position et même des fréquences. Pour minimiser ces problèmes, on devrait augmenter la fréquence d’échantillonnages. 

 

C’est encore une fois un mythe car, même si le son est échantillonné par intervalle, la position et le contenu du signal d’origine demeurent inaltérés (je vous fais grâce des explications mathématiques prouvant que c’est faux, mais, si ça vous branche, consultez « Sampling Theory for Digital Audio » de Dan Levry). Disons simplement que malgré les représentations courantes du signal numérique en forme d’escalier, comme on le voit dans tous les logiciels MAO, ce signal est, au final, une onde aussi précise et régulière qu’un signal analogique. 

 

Mythe 3 :

Plus le nombre de bits sera élevé, plus l’audio sera fidèle

Pour bien comprendre ce qu’affecte le nombre de bits, il faut saisir comment la conversion de l’analogique au numérique est réalisée (j’essayerai d’être le plus bref possible). Le signal est d’abord échantillonné et chaque échantillon a une valeur. Les valeurs sont ensuite reliées entre elles par une série de processus qui génèrent un bruit de fond s’apparentant au souffle que produisent les supports analogiques (le sifflement d’un magnéto à ruban par exemple). La marge disponible entre le volume de ce bruit de fond et le signal le plus élevé est l’étendue dynamique du signal (« dynamic range » en anglais). 

 

La profondeur d’échantillonnage (8, 16, 24 ou 32 bits) ne régit qu’une chose : l’étendue de la marge dynamique. C’est le volume du bruit de fond nécessaire pour générer le signal qui diminue à mesure qu’on augmente la profondeur d’échantillonnage. Elle n’a donc pas de lien direct avec la qualité de la reproduction d’un signal sonore. 

 

À la rigueur, une onde échantillonnée en 8 bits sera aussi fidèle qu’une onde en 24 bits (dans la mesure où cette onde entre dans la marge dynamique disponible en 8 bits). Par exemple, en 8 bits, l’étendue dynamique totale est de 48 dB puisque le plancher du bruit de fond est à -48 dB. Ce qui veut dire que tout ce qui trouve entre -48 dB et 0 dB sur votre vumètre sera fidèlement reproduit. En 16 bits, l’étendue dynamique est de 96 dB. 

 

Le bruit de fond est tellement bas qu’il est inaudible à moins de foutre le volume au maximum (et encore!). D’ailleurs si on compare la marge dynamique du numérique à celle de l’analogique, on risque d’avoir un choc. Quelle est la profondeur (ou la résolution si vous préférez) d’une bonne vieille cassette audio? 9 bits, si elle est en parfait état, mais 6 bits est beaucoup plus réaliste. C’est trois fois moins qu’un CD standard. Il s’en est pourtant vendu des centaines de millions! Notre vénéré vinyle : 11 bits sous son meilleur jour. Le meilleur magnéto à ruban de studio : 13 bits, peut-être un peu plus si vous êtes prêts à ajouter de la distorsion (c’est ça le but d’un magnéto non? Ah vous pensiez que c’était la haute fidélité : désolé!).

 

Mythe 4 :

La meilleure façon d’ajuster le volume est de l’amener le plus du 0 sans le dépasser

Encore une fois, c’est faux. Cette méthode, tout à fait appropriée pour du matériel analogique, est dommageable en mode numérique. D’abord parce que, comparativement à l’analogique, la marge dynamique du signal numérique est ridiculement élevée. En 24 bits, on a suffisamment d’étendue dynamique pour représenter aussi fidèlement une mouche en vol dans le fond de la pièce et un jet qui décolle dans votre maison! 

 

Ensuite parce que le mode numérique n’offre pas la bouée de sauvetage de l’analogique : la distorsion. En effet, si votre signal excède le 0 en analogique, vous obtenez de la distorsion. La chaleur et la rondeur qu’elle apporte sont d’ailleurs des points forts de l’analogique. En numérique, si vous dépasser le 0, vous obtiendrez un craquement tout à fait désagréable que l’on nomme le clipping. Vous ne voulez donc pas dépasser ce 0... jamais!

 

De plus, on sait que plusieurs transiants sont trop rapides pour être correctement affichés par un vumètre. Par exemple, le volume réel d’un coup de caisse claire peut facilement dépasser de 10 dB la lecture qu’affiche votre vumètre.

 

Ainsi, il est beaucoup plus approprié de viser au moins 12 dB à 15 dB sous le zéro. En 24 bits, vous pouvez même descendre beaucoup plus bas sans engendrer de problème. Même avec un signal à -35 dB, le seuil du bruit de fond sera encore à plus de 60 dB sous votre signal!

 

Conclusion

La combinaison 44,1 kHz en 16 bits est le format optimal pour reproduire l’audio en format numérique. Un nombre d’échantillonnages supérieur ne fait qu’ajouter au signal de très hautes fréquences, à la fois inaudibles et inutiles au signal. Tout ce que les fréquences d’échantillonnage supérieures apportent, c’est donc un surplus de travail pour le processeur de votre ordinateur et des fichiers plus lourds à gérer. À moins que le format de destination ne nécessite une fréquence d’échantillonnage plus élevée, le 48 kHz couvrira tous vos besoins.

 

Dans le même ordre d'idée, à l’enregistrement et au mixage, il peut être pratique d’utiliser la police d’assurance qu’offre le 24 bits. Il vous permettra une plus grande marge de manoeuvre dans la gestion des volumes. Donc, si votre carte de son le permet et que votre ordinateur peut suivre la cadence, le 24 bits est tout à fait approprié.

 

Si vous avez encore des doutes, visionnez l’excellente vidéo de Monty Montgomery. Il y fait la démonstration de plusieurs notions exposées ici à l’aide d’appareils de mesure analogiques et d’un interface E-Magic qui date de 10 ans.

 

Personnellement, j’utiliserai dorénavant le 24 bits à 48 kHz. C’est ma résolution pour l’année 2014!

 

 

Vos réactions (2)
Castilloux Benoit 09/01/2014 - 15h41
cool
Daniel Houde 08/01/2014 - 19h23
cool ! merci et bonne année !
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