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Correlation entre la résolution numérique et le niveau analogique?

  • 47 réponses
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Sujet de la discussion Correlation entre la résolution numérique et le niveau analogique?
Je suis simple utilisateur hifi et j'ai décidé de m'adresser aux spécialistes du son (vous!) pour ce sujet.
Mon parcours professionnel (électronique générale,informatique) fait que je crois comprendre ce qu'est l’échantillonnage et la résolution.

Dans le domaine de l'audio il a toujours quelque chose de pas clair pour moi : la corrélation entre la résolution et le niveau analogique d'un échantillon de signal.
Je vais essayer d'être plus précis:
16 bits nous offre 65536 niveaux de valeur. Mais quelle est l'amplitude du signal analogique correspondant à la valeur numérique maximale (65536).
1) Est-ce une amplitude théorique universelle absolue de référence normalisée? Ainsi tous les morceaux de musique ont un même référentiel de résolution.
Si oui quelle est cette amplitude théorique universelle (je présume exprimée en volt ou en dBu)?
Dans cette première hypothèse, si on code désormais en 24 bits, l'amplitude théorique universelle absolue de référence demeure t-elle la même (auquel cas la résolution ou "définition" est meilleure) ou elle t-elle élargie?

2) OU Est-ce une amplitude définie pour chaque morceau de musique via une réglage de niveau (un peu comme on le faisait en analogique avec les vu-mètres et les réglages de niveau d'enregistrement sur nos vieilles platines cassettes...)
Dans ce cas, si on a bien toujours 65536 valeurs possibles, la correspondance avec le niveau de signal analogique est différente sur chaque morceau de musique.
Ici le passage en 24 bits coule de source: la "définition" est meilleure pour une amplitude analogique donnée.
Mais alors comment se débrouille le DAC pour savoir à quel niveau de référence restituer le signal analogique?

Ensuite, intervient la dynamique:
Sur ce que j'ai lu, "la dynamique représente le rapport entre le signal le plus fort et le plus faible produit sur un intervalle donné"
Dans le codage numérique chaque bit représente un doublement de la valeur soit gain de 6dB. La dynamique est donc de 96dB en 16 bits et de 144dB en 24 bits.
Et là, j'en viens au rattachement de la dynamique à ma première question sur l'amplitude du signal analogique de référence..

J’espère ne avoir été trop nébuleux.

Merci d'avance pour vos éclairements.

Cordialement
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21
Citation de Jean-Marc :
Et tant qu'on y est, quelle est la bonne traduction de bit depth en français ?

En audio, c'est résolution, à ne pas confondre avec la résolution d'une image. La définition de la résolution en audio numérique est le nombre de pas de quantification, et par extension, on peut exprimer ce nombre de pas en nombre d'octet/échantillon, donc codé en 16 ou 24bits (par exemple).

A propos de digital versus numérique, je suppose que Gulistan fait allusion au fait que le mot digital existe en français mais concerne tout autre chose, et que comme bien d'autres mots est utilisé à tord et à travers en lieu et place du mot français. Une STAN, tout le monde sait ce que c'est ici, mais pour moi une STAD (pour station de travail audio digitale) c'est un piano, ou une guitare. :mrg:

Alan Parson a dit : "Audiophiles don't use their equipment to listen to your music. Audiophiles use your music to listen to their equipment."

22
Citation de Jan :

A propos de digital versus numérique, je suppose que Gulistan fait allusion au fait que le mot digital existe en français mais concerne tout autre chose, et que comme bien d'autres mots est utilisé à tord et à travers en lieu et place du mot français. Une STAN, tout le monde sait ce que c'est ici, mais pour moi une STAD (pour station de travail audio digitale) c'est un piano, ou une guitare. :mrg:

oui, c'est bien ça !
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@Fa44 : pour répondre à ta question, il faut distinguer les domaines analogiques et numériques.

Les circuits intégrés convertisseurs (A/N et N/A) utilisent une tension de référence (volts) afin de pouvoir fixer la valeur électrique maximale du signal analogique. Par exemple un convertisseur A/N 16 bits peut s'appuyer sur du 5 volts, et utiliser le 0 volt pour la valeur minimale. Il échantillonnera ainsi des valeurs de 0 à 5 volts, sur 65536 pas maximum entre ces deux extrêmes. Un convertisseur N/A 16 bits calibré aussi de 0 à 5 volts, produira un signal analogique variable de 0 à 5 volts sur 65536 pas maximum (avec donc un pas de 0,0000762939453125 volts).

C'est lors de la conception électronique que la tension de référence est fixée pour les convertisseurs, et généralement les concepteurs s'appuient sur les référentiels de tensions du domaine professionnel ou grand public, afin de respecter un standard pour l'entrée ou la sortie analogique. Dans le tableau présenté plus haut, le zéro d'une échelle en dB du domaine analogique correspond à la tension de référence utilisée pour définir cette échelle (ex: 0 dBu = 0,775 Volts). Pour les échelles en dB du domaine numérique (FS), vu qu'il y a un plafond numérique infranchissable (valeur max, tous les bits à 1), la tension de référence est fixée à une valeur négative, par exemple -18 dBFS pour la norme EBU.

Si on reviens au domaine analogique, il y a un aspect important qui est l'optimisation du signal analogique avant son envoi au convertisseur. En effet, il faut veiller à ce que le niveau électrique maximum du signal analogique soit au plus près de la tension de référence du convertisseur, afin de pouvoir utiliser toutes les valeurs de pas possibles du convertisseur, et donc toute sa résolution.
Par exemple pour un convertisseur avec une tension de référence de 0 dBu, il faut s'arranger pour que le signal analogique varie entre 0 et 0,775 volts. Si le signal ne varie que de zéro à la moitié de la tension de référence, la résolution sera mécaniquement divisée par deux.
À l'inverse, si le niveau électrique maximum du signal dépasse la tension de référence numérique, le convertisseur n'a plus de valeur à donner au signal (valeur max, tous les bits à 1), et il y a saturation (écrêtage).

Tout se joue donc à l'enregistrement et à la numérisation du signal audio, et pour que cette étape soit optimale, il faut connaître ces contraintes.

"Le monde se divise en deux catégories : ceux qui passent par la porte, et ceux qui passent par la fenêtre." (Tuco)

[ Dernière édition du message le 02/09/2021 à 15:11:00 ]

24
Bonjour,
Merci à tous pour ces efforts de vulgarisation d'un sujet finalement pas si facile que çà à appréhender pour l'amateur lambda.
Je crois avoir enfin saisi pas mal de choses grâce aux échelles et vos explications de texte (j'avais l'essentiel des pièces du puzzles, mais je n'arrivais pas à les assembler correctement)
Je vais essayer un de ces quatre de faire une petite synthèse ( pour m'en assurer :clin:)

Néanmoins j'ai encore besoin de 2 confirmations concernant 16 bits vs 24 bits:
J'ai compris que le passage de 16 à 24 bits ajoute 8 bits de poids faible en élargissant la plage dynamique.
Cela permet de quantifier et donc potentiellement d'entendre des niveaux d'entrée faibles qui ne pourraient l'être en 16 bits et d'éloigner le bruit de fond ("noise floor")
Pouvez-vous confirmer que:
1)Ramené au codage "octets", le passage de 16 à 24 bits revient à multiplier le mot 16 bits par 256 (soit un décalage de 8 bits à gauche).
Ainsi, en notation hexa, un échantillon codé "01AF" en 16 bits deviendrait "01AF00" en 24 bits.
Ce n'est peut-être pas si direct que çà, car il doit il avoir une histoire de bit de signe et peut-être 1 ou 2 bits de réserve "en haut" de l'échelle pour se préserver de la saturation numérique, mais est-ce bien l'esprit?

2)Pour le codage d'un échantillon donné entre -96dbFS et 0dbFS, le 24 bits n'est pas plus précis (mieux défini) que le 16 bits. L'erreur de quantification sur cet échantillon ne sera pas différente.

Bien cordialement,
25
Citation de fa44 :
J'ai compris que le passage de 16 à 24 bits ajoute 8 bits de poids faible en élargissant la plage dynamique. Cela permet de quantifier et donc potentiellement d'entendre des niveaux d'entrée faibles qui ne pourraient l'être en 16 bits et d'éloigner le bruit de fond ("noise floor")

Attention, il s'agit du bruit de fond numérique, ou bruit de quantification. S'il y a du bruit de fond analogique dans le signal source, ce bruit de fond sera numérisé aussi, et pourra masquer les niveaux d'entrée faibles avant même la numérisation.

Citation de fa44 :
1)Ramené au codage "octets", le passage de 16 à 24 bits revient à multiplier le mot 16 bits par 256 (soit un décalage de 8 bits à gauche).
Ainsi, en notation hexa, un échantillon codé "01AF" en 16 bits deviendrait "01AF00" en 24 bits.
Ce n'est peut-être pas si direct que çà, car il doit il avoir une histoire de bit de signe et peut-être 1 ou 2 bits de réserve "en haut" de l'échelle pour se préserver de la saturation numérique, mais est-ce bien l'esprit?

Passer de 16 à 24 bits peut se faire mathématiquement en ajoutant des 0 de poids faible, mais dans ce cas cela n'apporte rien au signal numérisé. Il faut que la quantification soit faite en 24 bits au moment de la conversion pour que les bits de poids faibles aient une valeur liée au signal numérisé, et ainsi apporter la précision supplémentaire du 24 bits par rapport au 16 bits.
Par défaut sur les ADC et DAC, il n'y a pas de bit de signe, ni de bit de réserve. Cela est traité au niveau analogique (filtre DC, limiteur).

Citation de fa44 :
2)Pour le codage d'un échantillon donné entre -96dbFS et 0dbFS, le 24 bits n'est pas plus précis (mieux défini) que le 16 bits. L'erreur de quantification sur cet échantillon ne sera pas différente.

Le 24 bits est plus précis quel que soit le niveau du signal, car chaque échantillon est codé avec 8 bits supplémentaires.

"Le monde se divise en deux catégories : ceux qui passent par la porte, et ceux qui passent par la fenêtre." (Tuco)

[ Dernière édition du message le 02/09/2021 à 22:42:03 ]

26
@Deltank,
Citation de Deltank :

Attention, il s'agit du bruit de fond numérique, ou bruit de quantification. S'il y a du bruit de fond analogique dans le signal source, ce bruit de fond sera numérisé aussi, et n'aura rien à voir avec le bruit de quantification du converstisseur.

Oui, c'est ce que je voulais dire, mais il est mieux de préciser les choses.

Citation de Deltank :

Passer de 16 à 24 bits peut se faire mathématiquement en ajoutant des 0 de poids faible, mais dans ce cas cela n'apporte rien au signal numérisé.

Je me plaçais ici dans un postulat strictement mathématique de relation 16->24 bits. Bonne info quant à l'absence de bit de signe ou de réserve.

Citation de Deltank :

Le 24 bits est plus précis quel que soit le niveau du signal, car chaque échantillon est codé avec 8 bits supplémentaires.

Peut-être tout est dans la définition du terme "précis", mais je me rapporte aux dires de @Gulistan plus haut et à un article que j'ai trouvé hier sur la toile.https://www.mixinglessons.com/bit-depth/, section "How does bit depth affect sound quality?"

Citation de Gulistan :

Le parallèle audio/image ne fonctionne pas et amène à des erreurs de compréhension.
En 16 et 24 bit, tout ce qui est entre 0dBfs et -96dBfs a la MÊME PRÉCISION !
La gamme dynamique est étagée de façon identique.
Par contre, en 24bit, il y a 8 bits ajoutés en bas, au-dessous des 16bits, au-dessous de -96dBfs.


Merci en tout cas pour ces précieux retours.

Cdl
27
Citation de fa44 :
Bonne info quant à l'absence de bit de signe ou de réserve.

Attention, il y a toujours un bit de signe, le tout premier, qu'on soit en 16 ou 24 bits.

Pour faire un parallèle avec la bande magnétique en analogique, la différence entre le 16 et le 24 bits peut être comparée à la taille des grains de produit magnétique de la bande. S'ils sont plus petits, on aura moins de bruit de fond, mais les niveaux seront inchangés. Bon, ça peut faciliter la compréhension, mais cette comparaison à ses limites.

Alan Parson a dit : "Audiophiles don't use their equipment to listen to your music. Audiophiles use your music to listen to their equipment."

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Bonjour,
L'informaticien que je suis cherche à être bien sûr de comprendre la mécanique de codage et l'impact du 24 bits vs 16 bits.
Si je fais une analogie en me rapportant à une notation décimale à virgule fixe, passer de de 16 à 24 revient à ajouter une partie décimale (8 bits) à un nombre entier (16 bits), la virgule fixe était entre le 16ème et 17 bits.
>La plage dynamique en est de fait largement augmentée (-144dbFS)
>La valeur de codage de chaque échantillon est un tout petit peu plus précise lors de la prise de son dans toute la gamme de l'échelle, dans la limite des 8 bits après la virgule (ce qui réduit l'erreur de quantification -ou l'erreur d'arrondi associée à la conversion- et repousse le bruit numérique qui va avec)
>Le "niveau" qu'on pourrait assimiler à la partie entière reste identique en 16/24.

Cette approche vous paraît-elle correcte?

Bien cordialement


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Je donne 20/20 !

Alan Parson a dit : "Audiophiles don't use their equipment to listen to your music. Audiophiles use your music to listen to their equipment."

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Saperlipopette :oo:, 20/20 ! Je me souviens pas de la dernière fois que j'ai obtenue cette note :). Dans les petites classes peut-être., il y bien 40 ans...
Je remercie donc tous mes professeurs (vous donc), pour leur patience.
Je crois désormais avoir compris l'essentiel de la "chaine" audio de l'analogique au numérique. Je vais essayer d'en faire un résumé qui sera peut-être utile à d'autres "novices".

Bien cordialement,

PS: @Jan mk2, j'adhère à 100% au "j'aime / j'aime pas" de ta présentation dans ton profil.