La complexité de l'audio numérique révélée

[PFB]

Amusons-nous si vous le voulez bien.

L'audio numérique s'est rapidement répandue depuis ses débuts commerciaux vers les années 80. C'est un médium plus complexe que l'analogue disque vinyle et la bande magnétique. Je pense qu'il y a un réel besoin de comprendre les mécanismes impliqués.

Je commence avec le bit.

Le bit est une valeur binaire, si je sors de mon chapeau un bit comme celui là 1 il n'existe pas de notion qualitative, ou temporelle. Il est impossible d'affirmer que mon bit est meilleur qu'un autre bit ou d'affirmer que c'est un bit PCM ou DSD (c'est juste un exemple).

Jusque là ça va?

Les systèmes numériques préfèrent une représentation binaire   0000,0001,0010,0011,0100,0101,0111, que décimale 0,1,2,3,4,5,6,7,8,.... Votre machine préfère une suite de "1" et de "0".

Maintenant comment être sur que la valeur 1010111000110100 est parfaite (nous sommes des audiophiles, non?) ?

Car si c'est assez simple d'estimer une erreur pour un mot de 16 bits représentant un silence soit 0000000000000000, une erreur d'un malheureux bit par exemple comme celle-ci 10000000000000000 représentera un clic de 90dB. Avec cet exemple j'espère faire passer le message suivant, un système audio numérique ne fait pas d'erreurs, jamais, c'est impossible.

Revenons à notre mot 1010111000110100, avant qu'un système de correction d'erreur rentre en action, il faut que l'erreur soit détectée. Même si cela semble évident, l'énigme va être difficile à résoudre. La question qui tue est est-ce que 1010111000110100 contient une erreur? et bien c'est tout simple, à moins d'être un audiophile, l'affirmation est impossible.

Mais peut-être que l'on pourrait répéter le message 1010111000110100, 1010101000110100. Une vérification précise va révéler une différence. Un des deux mots est corrompu, mais lequel?

Peut-être que le message pourrait être renvoyé une 3em fois 1010111000110100, 1010101000110100, 1010111000110100. A ce stade, il existe un bonne probabilité de connaitre le mot juste, mais que se serait-il passé si les 3 mots avaient été différents?

Nous remarquons que la répétition est un moyen de correction d'erreurs très peu efficace. Les bases de l'audio numérique étant informatiques, en pratique les systèmes utilisent des moyens de redondance, de parité et d'entrelacement absolument sans erreurs.

On m'a souvent demandé mais comment est-ce possible de reconstruire une série de mots binaire si plusieurs mots sont perdus? Par exemple dans le cas d'un drop out. Le drop out est un type d'erreur ou une suite de mot est perdue. Et bien je vais tenter une explication.

Voici une phrase à transmettre:

LE VERT EST UN FORUM

Chaque lettre peut être numérotée et correspondre à un chiffre
L 1
E 2
   3
V 4
E 5
R 6
T 7
   8
E 9
S 10
T 11
  12
U 13
N 14
  15
F 16
O 17
R 18
U 19
M 20

Nous avons donc une table qui va de 1 à 20, je peux mélanger ma table comme un jeux de cartes et en créer une nouvelle qui sera

20, 11,18, 14, 3, 17, 7, 2, 12, 1, 6, 15, 9, 4, 16, 5 ,13 ,8, 10, 19

Ma phrase entrelacée sera
M 20
T 11
R18
N 14
   3
O 17
T 7
E 2
  12
L 1
R 6
  15
E 9
V 4
F 16
E 5
U 13
   8
S 10
M 19

Le vais donc stocker en mémoire MTRN OTE LR EVFEU SM mais aussi ma clef de décodage

A la lecture de sa mémoire le système perd des informations et reçoit MTRN L????R EVFEU SM  bête non?

Après reconstruction des données la phrase reçu est L? VER? EST UN?F?RUM, qui même sans un système de correction d'erreurs perfectionné reste lisible.

Voilà quelques notions, désolé pour la longueur.

PFB

[PFB]

Bon, je continue.

Nous l'avons entrevu rapidement, les systèmes de corrections d'erreurs sont essentiels, sans eux l'audio numérique serait impossible.

Cependant, que se passe-t-il lors d'événements submergeant ces systèmes? mettons par exemple une panne de moteur de la rotation du CD.

POUF le moulin s'arrête.

Et bien un merdage total sera signalé au système de dissimulation d'erreurs. On l'a vu précédemment, laisser s'échapper une erreur pourrait résulter en un réveil brutal de l'audiophile. Un saut de 90dB dans le signal envoyé aux amplis avec probablement d'autres dégâts comme un bon rhum JM qui s'échappe de mon accoudoir.

Le système de dissimulation emploie deux techniques, une qui est basée sur l'interpolation des données et l'autre qui est un circuit de silence.

A cause (ou grâce?) de la très forte corrélation entre les échantillons, il est possible de substituer les données erronées par une approximation basée sur les événements avant et après l'erreur catastrophique. Il existe de nombreuses méthodes qui vont de la bête répétition d'échantillons nommée dans le jargon du merdage total "zéro order interpolation" à des interpolations linéaires de premier ordre (une dérivation de la moyenne des échantillons précédents), jusqu'à des trucs vachement chiadés.

Lorsque le système d'interpolation chope la nausée, le silence est préférable à un burst de bruit numérique. Mais là encore on soigne l'audiophile, car au lieu de muter le signal brutalement, ce qui est audible, on applique une fonction mathématique. Le système va multiplier la valeur du dernier échantillon par un coefficient négatif habituellement inspiré d'une onde cosinusoidale. Comme Dartagnan, le système tire sa révérence de la façon la plus noble qui soit.

Tout ces moyens de secours sont étonnamment inaudibles.



PFB

[corintin]

L'audio numérique s'est rapidement répandue depuis ses débuts commerciaux vers les années 80. C'est un médium plus complexe que l'analogue disque vinyle et la bande magnétique. Je pense qu'il y a un réel besoin de comprendre les mécanismes impliqués.

je lis avec attention et intérêt ta filière, bravo pour cet effort de vulgarisation à notre portée !

peux-tu en complément nous démontrer brièvement pourquoi la lecture CD serait plus complexe que la lecture LP ??

- le LP implique de nombreuses technologies différentes mécaniques et électriques (platine, bras, cellule, phono..)
- personne n'explique jamais sur les forums, par exemple, le concept technique "étage phono" càd ses circuits, ses composants électroniques, ses réglages.. ce serait plus simple mais ce n'est jamais expliqué de A à Z ! pourquoi alors que ce serait plus simple que les histoires de 00010010001 du lecteur CD ???
- pour l'audiophile moyen, il me semble qu'installer une platine avec tous ses composants est aussi complexe qu'un lecteur réseau (et aussi simple quand on sait comment cela fonctionne...)

[JackAubrey]

Trés bien fait merci !

[PFB]

peux-tu en complément nous démontrer brièvement pourquoi la lecture CD serait plus complexe que la lecture LP ??

Uniquement la lecture? La lecture d'un CD se fait à vitesse angulaire constante, c'est à dire que la vitesse du disque varie tout le temps. La lecture optique est sans contact avec un ajustement mécanique du système de lecture de l'ordre du micromètre. Ensuite l'extraction de données souffre d'erreurs brutes exactement comme les crachouillis de la lecture analogique, mais qui doivent être traitées. A l'époque j'ai mesuré environs 200 erreurs brutes par secondes, soit des erreurs imputable au support ou à des poussières sur le support.

Au final la lecture de CD demande un synchronisme parfait d'actuateurs et moteurs, comparé à l'unique moteur une platine TD et sa charrue, il n'y pas photo.

personne n'explique jamais sur les forums, par exemple, le concept technique "étage phono" càd ses circuits, ses composants électroniques, ses réglages.. ce serait plus simple mais ce n'est jamais expliqué de A à Z ! pourquoi alors que ce serait plus simple que les histoires de 00010010001 du lecteur CD ???

Je pense que la complexité de la lecture numérique provient de sa perfection, la lecture CD ne fait pas d'erreurs.

PFB

[pipouy]

Excellent PFB et merci.
Même si je ne maitrise pas la technique et le vocabulaire, j'ai bien compris le mécanisme de la lecture binaire.
Question perfide: est-ce que tu penses qu'un câble numérique apporte un + dans dans la transmission du message binaire audio ou est-ce que tu dis qu'un simple câble numérique capable de transmettre un message binaire alphabétique d'un ordinateur (au hasard) à une imprimante sans erreurs est aussi "valable".
Autrement dit les câbles numériques à pas de prix sont du pipo?
Attention je ne veux pas relancer un Xième débat câble.

[sosto]

Excellent PFB et merci.
Même si je ne maitrise pas la technique et le vocabulaire, j'ai bien compris le mécanisme de la lecture binaire.
Question perfide: est-ce que tu penses qu'un câble numérique apporte un + dans dans la transmission du message binaire audio ou est-ce que tu dis qu'un simple câble numérique capable de transmettre un message binaire alphabétique d'un ordinateur (au hasard) à une imprimante sans erreurs est aussi "valable".
Autrement dit les câbles numériques à pas de prix sont du pipo?
Attention je ne veux pas relancer un Xième débat câble.

Quand même, il y a un risque...
A partir du moment où un individu (voir plusieurs) entend une différence entre deux câbles, deux solutions : la première c'est que le câble à un effet, la seconde c'est que l'individu à un soucis avec ses "oreilles".

L'effet est-il proportionnel au prix, serait-ce ta question ?

[corintin]

Quand même, il y a un risque...
A partir du moment où un individu (voir plusieurs) entend une différence entre deux câbles, deux solutions : la première c'est que le câble à un effet, la seconde c'est que l'individu à un soucis avec ses "oreilles".

L'effet est-il proportionnel au prix, serait-ce ta question ?

il n'y a pas que le câble mais aussi ses connecteurs, son isolation, la pollution électrique, etc...

[pipouy]

Les 1 et 0 sont à transmettre fidèlement, mais ma question est plutot de comprendre comment ils pourraient influer sur le son?
J'ai achete des câbles de bonne gamme au cas où, mais je suis moyennement convaincu.

[PFB]

est-ce que tu penses qu'un câble numérique apporte un + dans dans la transmission du message binaire audio

La question sous jacente est, est-ce qu'un fichier binaire peut avoir des sonorités (différentes)?

En audio numérique les bizarreries sont nombreuses. Est-ce qu'un d'un fichier .wav sonne comme un .aiff? Une compression sans pertes FLAC comme un PCM? Un fichier issu d'un streaming, d'une lecture directe, issu d'une disque dur ou d'une clef USB sonne pareil?

Si le contenu binaire ne varie pas, il n'y aucune raison pour que le contenu change. Mais en tant que scientiste imparfait je reste prudent car j'ai l'impression que le son change ou évolue indifféremenent pour du numérique ou de l'analogique, sans raisons.

Par contre un câble peut parfaitement avoir une influence indirecte sur un équipement ou une partie d'équipement dans son environnement. Il peut parfaitement rayonner et "gêner" un étage analogique, faire une boucle de masse ou augmenter un niveau de bruit qqpart.

PFB

[sosto]

Tu as peut être prévu d'en causer mais les 0 et les 1 sont matérialisés par des signaux électriques, suivant leur niveau relatif au moment de la transmission (dus aux divers composants qui les "fabriquent"), peut être que les 1 pourraient être vus comme des 0 et inversement et alors des résultats différents pourraient être ressentis ?

[corintin]

Maintenant comment être sur que la valeur 1010111000110100 est parfaite

ce n'est sans doute qu'une partie du problème ???

La question sous jacente est, est-ce qu'un fichier binaire peut avoir des sonorités (différentes)?

Est-ce qu'un d'un fichier .wav sonne comme un .aiff? Une compression sans pertes FLAC comme un PCM? Un fichier issu d'un streaming, d'une lecture directe, issu d'une disque dur ou d'une clef USB sonne pareil?

Si le contenu binaire ne varie pas, il n'y aucune raison pour que le contenu change.

le contenu (de 0 et de 1) n'est peut être qu'une partie du problème !?
selon que le fichier est de type wav ou flac, le traitement est différent ??

Par contre un câble peut parfaitement avoir une influence indirecte... son environnement. Il peut parfaitement rayonner

il n'y a donc pas que les 0 et les 1 !!??

[adol]

Revenons à notre mot 1010111000110100, avant qu'un système de correction d'erreur rentre en action, il faut que l'erreur soit détectée. Même si cela semble évident, l'énigme va être difficile à résoudre. La question qui tue est est-ce que 1010111000110100 contient une erreur? et bien c'est tout simple, à moins d'être un audiophile, l'affirmation est impossible.

PFB

C'est pas justement à ça que sert le bit de parité ? 7 bits de données et un huitième de contrôle ?

[mkl]

[
Je pense que la complexité de la lecture numérique provient de sa perfection, la lecture CD ne fait pas d'erreurs.

PFB

Si, environ 200 par secondes. (désolé, elle était facile )

[AJMARS]

le contenu (de 0 et de 1) n'est peut être qu'une partie du problème !?

Oui, quelques temps après l'apparition de l'audio numérique, quelques être humains contestataires, iconoclastes et mal pensants..... se sont apperçus que nous étions sensibles à un champ de pression et de vitesse acoustiques....

Etonnant....  

A plus

[PFB]

Tu as peut être prévu d'en causer mais les 0 et les 1 sont matérialisés par des signaux électriques, suivant leur niveau relatif au moment de la transmission (dus aux divers composants qui les "fabriquent"), peut être que les 1 pourraient être vus comme des 0 et inversement et alors des résultats différents pourraient être ressentis ?

Les systèmes numériques sont entachées d'erreurs "brutes" comme la lecture de CD avec en moyenne 200 erreurs/seconde. La transmission, le stockage, le bruit et les interférences sont des sources d'erreurs numériques inévitables.  Mais le système est protégé  par de subtils systèmes de détection et de corrections d'erreurs. Au final les systèmes numériques sont parfaits ou stoppés. C'est la basse de tout système numérique comme l'audio, l'imagerie ou la finance. L'anthropomorphisme numérique de la petite erreur subjective n'existe pas en numérique.

Les illusions existent, mais avant la conversion analogique-numérique et après la conversion numérique analogique. Entre les deux le système est parfait.

C'est pas justement à ça que sert le bit de parité ? 7 bits de données et un huitième de contrôle ?

.

Effectivement les données binaires utiles sont additionnées de bits qui servent a reconstruire le flux de données qui aurait mal voyagé. Les théories de la communication sont complexes et géniales. Par exemple dans le cas du CD, le nombre de transitions binaires est réduit, de longues séries de 1 ou de 0 faciliterons la fabrication du CD et l'extraction de données.

[PFB]

Je ne vais pas trop m'attarder sur les taux de transferts, leur efficacité en fonction de la mémoire disponible, les probabilités d'erreurs et les entropies de Shannon. Je n'ai pas la formation et je vais commencer à patiner sérieusement dans la semoule.

On sait tous qu'un signal analogique se stocke très mal, l'enregistrement et la reproduction sont entachées d'erreurs, bruit, distorsion et usure juste pour nommer quelques traumatismes.

A l'opposé nous avons le numérique capable de reproduire une suite éternelle de bits sans jamais se tromper. Mais la récolte d'échantillons numériques signera la mise à mort de la continuité, une étape qui fait bondir les passéistes subjectivistes. Car va falloir filtrer et trancher sans demi mesure, un infâme bidouillage.

Curieusement les "problèmes" liés au numérique sont très analogiques. L'encodage d'un signal variable pause le problème de la quantification et la bande passante. Que faire lorsque la prise d'un échantillon tombe entre deux valeurs binaire? et comment limiter la bande passante pour éviter des illusions.

Je vais tenter une explication.

PFB

[MAZZONI]

Une remarque suite à tes explications bien utiles.
Je crois me souvenir que le CD est lu à vitesse linéaire constante, donc à vitesse angulaire variable car les secteurs angulaires se réduisent vers le centre mais il faut les lire à la même vitesse que ceux de la périphérie.
Ce qui nécessite un contrôle fin de la vitesse de rotation.
Le vinyle, lui, est lu à vitesse angulaire constante, donc à vitesse linéaire variable, d'où la perte de définition vers le centre où, en une seconde, est lu un secteur deux fois plus long qu'en une seconde à la périphérie.
Remarque pour ceux qui idéalisent le vinyle ...

[tt-man]

Une remarque suite à tes explications bien utiles.
Je crois me souvenir que le CD est lu à vitesse linéaire constante, donc à vitesse angulaire variable car les secteurs angulaires se réduisent vers le centre mais il faut les lire à la même vitesse que ceux de la périphérie.
Ce qui nécessite un contrôle fin de la vitesse de rotation.
Le vinyle, lui, est lu à vitesse angulaire constante, donc à vitesse linéaire variable, d'où la perte de définition vers le centre où, en une seconde, est lu un secteur deux fois plus long qu'en une seconde à la périphérie.
Remarque pour ceux qui idéalisent le vinyle ...

C'est presque ça,  il y a vitesse linéaire constante , à longueur de secteur constante , mais comme la lecture part du centre vers la périphérie,  la vitesse angulaire diminue de 500 à 200 de T/mn
@+@lain

[MAZZONI]

Ben, c'était pas presque ça ; c'était tout à fait ça  
Qu'on parte du centre pour aller vers la périphérie ne change rien dans le besoin de faire varier la vitesse.