Laurent Sad 98

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• Laurent Saïd (98)
• ST Microelectronics
• 12, avenue Jules Horowitz
• 38000 GRENOBLE
• 06.71.58.40.49
• email laurent.said_at_st.com

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Audio Numérique
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Plan de la présentation

• Perception-Audition
• Signaux Numériques
• Précision - Dynamique
• Fréquence déchantillonnage
• Conclusion

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Mécanisme de laudition

• Système auditif périphérique
• Oreille externe
• transmission aérienne
• Oreille Moyenne
• transmission mécanique
• Oreille interne
• transmission hydromécanique
• Transmission électro-chimique
• Système auditif central
• Nerf auditif
• Cortex

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Anatomie de loreille
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Oreille Externe
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Oreille Moyenne
1. Marteau 2. Enclume3. Étrier4.
Tympan5. Fenêtre ronde6. Trompe deustache
- (1) Marteau- (2) Ligament du marteau- (3)
Enclume- (4) Ligament de l'enclume- (5) Muscle
de l'étrier- (6) Platine de l'étrier- (7)
Tympan- (8) Trompe d'Eustache- (9) Muscle du
marteau- (10) Corde du tympan sectionnée
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Fonction de Transfert OM
H(f)Pv/Pt Pv Pression acoustique au vestibule Pt
Pression acoustique au tympan
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Oreille Interne
1. Canal antérieur2. Ampoule (du même
canal)3. Ampoule (canal horizontal)4.
Saccule5. Canal cochléaire6. Hélicotrème7.
Canal latéral (horizontal) 8. Canal
postérieur9. Ampoule (canal postérieur)10.
Fenêtre ovale11. Fenêtre ronde12. Rampe
vestibulaire13. Rampe tympanique14. Utricule
10
Oreille Interne Coupe de la cochlée
Transmission électro-chimique
Transmission hydromécanique
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Système Auditif Central
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Perception de la force sonore
Courbe disosonie
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Effet de masque simultané
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Bandes critiques
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Effet de masque temporel
Niveau du son  juste masqué 
Proactif
Réactif
Masquant
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Perception de la hauteur

• Stevens Volkman 1940
• Non linéaire
• Echelle perceptuelle

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Plan de la présentation

• Perception-Audition
• Signaux Numériques
• Précision - Dynamique
• Fréquence déchantillonnage
• Conclusion

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PCM Pulse Code Modulation

• Opérations lors de la numérisation
• Echantillonnage
• Quantification

Temps
Temps
Temps
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Echantillonnage

• Théorème
• Shannon (1948)
• Kotelnikof (1933)
• Nyquist (1928)
• Whittaker (1915)
• Théorème de reconstruction

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Quantification

• Introduit du bruit
• Corrélé au signal
• Probabilité uniforme
• Puissance f(nombre de pas)

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Dither soustractif et non-soustractif
Ajout dun bruit avant la quantification
b(n)

-
Y(n)
X(n)

Quantification

Channel
b(n)

Y(n)
X(n)

Quantification
Channel
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Dualité fréquence déchantillonnage -
quantification

• Amélioration du RSB par sur échantillonnage
• En conversion A/N
• Filtre analogique à SFe/2
• Echantillonnage à SFe
• Filtrage / sous-échantillonnage jusquà Fe
• En conversion N/A
• Sur-échantillonnage
• Filtrage a Fe
• Conversion N/A à SFe
• Filtrage à SFe

Trois effets
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Vocabulaire

• Transparence
• Quelque soit les modification du signal audio,
  le résultat nest pas perceptible par loreille
  humaine.
• Sans pertes
• Les signal transformé est bit exacte.
• Non-réversible
• Des pertes sont volontairement introduites (afin
  de compresser par exemple) impliquant
• Plancher de bruit non constant (modulation /
  masquage fréquentiel)
• Le plancher de bruit est mis en forme selon des
  critères psycho acoustiques
• Lerreur est corrélée au signal

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Plan de la présentation

• Perception-Audition
• Signaux Numériques
• Précision - Dynamique
• Fréquence déchantillonnage
• Conclusion

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Effet du dithering sur la précision
Spectre dun signal quantifié sur 16 bits à -90dB
de la pleine échelle
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Perception du bruit de quantification
Bruit de quantification avec dithering sur 16
bits pleine échelle à 114dBspl
Dynamique
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Cas du CD Fe44.1 kHz 120dBspl 16 bits
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Après le CD Quantification sans dithering
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Autres bruits bruit de fond des salles
Un son à -15dB en dessous du niveau du bruit de
fond peut être perçu
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Autres bruits bruit denregistrement
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Plan de la présentation

• Perception-Audition
• Signaux Numériques
• Précision - Dynamique
• Fréquence déchantillonnage
• Conclusion

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Spectre audible / Fréquence déchantillonnage

• Test découte subjectif
• x1, x2, x4, x64 FeCD ou FeDAT
• Hautes Fe préférées
• Pourquoi ?
• Sensibilité acoustique différente si spectre
  complexe ?
• Traitement plus simple à ces fréquences ?

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Perception des fréquences gt20kHz

• Oreille Moyenne
• Commence à filtrer passe-bas à partir de 10kHz
• Plus grand-chose après 20kHz
• Cochlée
• Fonctionne Top-Down
• Filtre HF est plus proche du tympan
• Filtre centré sur 15kHz
• Ultra sons par conduction osseuse.
• Des son peuvent être perçus jusquà 25kHz (fort
  niveaux)
• Intermodulation dans la bande (pitch perçu
  20kMEL)

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Alors, quelle Fréquence déchantillonnage ?
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Etendue du spectre audio
Exemple La cymbale Crash
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Considérations temporelles(1/2)

• Lors des test découte a Fe élevée,  cest
  mieux 
• Les graves semblent plus nets
• Le son est
• plus clair
• plus chaud
• Plus naturel
• Meilleure définition
• on distingue mieux le premier plan et le
  deuxième plan
• Mais
• Haut-parleur sans rendu ultrasonique
• Acuité auditive standard

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Considérations temporelles(2/2)

• Le filtrage anti repliement et de
  reconstruction
• Pentes plus raisonnables
• Phase linéaire que dans la bande utile
• gt Il est possible de concevoir des filtres
  causaux (ou presque) dont la phase est linéaire
  dans la bande (apodized filters). Le résultat est
  très positif

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Réponses impulsionelles des filtres
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Plan de la présentation

• Perception-Audition
• Signaux Numériques
• Précision - Dynamique
• Fréquence déchantillonnage
• Conclusion

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40
Conclusion

• Transparence
• PCM 19bits, 52kHz (sans post-traitements)
• Qualité
• Il faut considérer les aspect temporels
• Il faut considérer la chaine de production
  complète
• Il faut accroitre la dynamique a chaque
  traitement
• Lappareil auditif est un très bon organe de
  perception.