Numérisation et reproduction du son analogique

Aujourd’hui, il est possible d’écouter de la musique partout, par transmission radio, en ligne ou stockée sur un support. Dans tous les cas, le signal sonore a été numérisé.

I Signal analogique et signal numérique

Doc1 Représentation des signaux analogique et numérique

Les sons perçus par nos oreilles ou enregistrés par un micro sont des signaux analogiques, qui prennent une infinité de valeurs possibles des tensions pendant un intervalle de temps donné. Le signal est continu.

Un signal numérique est décomposé en un ensemble de valeurs précises et discontinues ou discrètes. En informatique, ces valeurs sont des suites de 0 et de 1, conformément au codage binaire.

On ne peut pas stocker une infinité de valeurs sur un support numérique. Il faut découper et coder le signal analogique pour obtenir un signal numérique. La numérisation s’effectue en deux étapes successives : l’échantillonnage et la quantification.

II Conversion analogique-numérique

1  Échantillonnage

Lors de la première étape de la numérisation, on prélève périodiquement des valeurs du signal analogique : c’est l’échantillonnage. On obtient ainsi des valeurs discrètes séparées par une période d’échantillonnage TE.

Doc2 Échantillonnage du signal

La fréquence d’échantillonnage FE est l’inverse de la période d’échantillonnage TE. Elle correspond au nombre de valeurs du signal prélevées par seconde :

Repère
À noter

Le théorème de Shannon indique que la fréquence d’échantillonnage FE pour reproduire correctement un signal de fréquence Fson doit être telle que $F_{\text{E}}\ge 2\times F_{\text{son}}.$

$F_{\text{E}}=\frac{1}{T_{\text{E}}}$

avec la fréquence en hertz (Hz) et la période en secondes (s).

Plus le nombre de valeurs prélevées est important, plus le signal numérique est fidèle au signal analogique. Pour reproduire correctement un son, on choisit donc une fréquence d’échantillonnage élevée.

2  Quantification

Repère
À noter

Avec 2 bits, il y a 2² = 4 valeurs possibles : 00, 01, 10 et 11.

Avec n bits, il y a 2ⁿ valeurs possibles.

Lors de la deuxième étape, on donne une valeur numérique à chaque échantillon prélevé. Cette valeur est convertie en langage binaire sur 4, 8, 10 ou 16 bits (binary digit). Plus le nombre de bits est important, plus le signal numérique sera fidèle au signal analogique.

Doc3 Quantification du signal sur 3 bits

Zoom

Schéma complet du traitement du signal

L’onde mécanique sonore est convertie en signal électrique analogique par le micro. Ce signal analogique est converti en numérique par un convertisseur analogique-numérique (CAN), puis stocké (mémoire, CD) ou réémis. Un traitement inverse permet de restituer le son le plus précisément possible.