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Laurent Saïd (98)
ST Microelectronics
12, avenue Jules Horowitz
38000 GRENOBLE
06.71.58.40.49
email : laurent.said@st.com
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3Plan de la présentation
Perception-Audition
Signaux Numériques
Précision - Dynamique
Fréquence d’échantillonnage
Conclusion
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4Mécanisme de l’audition
• 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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5Anatomie de l’oreille
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6Oreille Externe
Fonction de transfert
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7Oreille Moyenne
1. Marteau2. Enclume3. Étrier4. Tympan5. Fenêtre ronde6. Trompe d’eustache
- (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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8Fonction de Transfert OM
H(f)=Pv/PtPv Pression acoustique au vestibulePt Pression acoustique au tympan
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9Oreille 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
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10Oreille Interne: Coupe de la cochlée
Transmission électro-chimique
Transmission hydromécanique
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11Système Auditif Central
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12Perception de la force sonore
Courbe d’isosonie
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13Effet de masque simultané
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14Bandes critiques
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15Effet de masque temporel
Masquant
Niveau du son « juste masqué »
ProactifRéactif
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16Perception de la hauteur
Stevens & Volkman 1940
Non linéaire
Echelle perceptuelle
)1(log.)( 2 x
xMel
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17Plan de la présentation
Perception-Audition
Signaux Numériques
Précision - Dynamique
Fréquence d’échantillonnage
Conclusion
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18PCM : Pulse Code Modulation
Temps
Temps
TempsOpérations lors de la numérisation:
• Echantillonnage
• Quantification
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19Echantillonnage
Théorème
• Shannon (1948)
• Kotel’nikof (1933)
• Nyquist (1928)
• Whittaker (1915)
Théorème de
reconstruction
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20Quantification
Introduit du bruit:
• Corrélé au signal
• Probabilité uniforme
• Puissance f(nombre de pas)
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21Dither soustractif et non-soustractif
Ajout d’un bruit avant la quantification:
Quantification
Channel
-
++
+X(n)
b(n)
Y(n)
Quantification
Channel
++
X(n)
b(n)
Y(n)
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22Dualité fréquence d’échantillonnage - quantification
Amélioration du RSB par sur échantillonnage:• En conversion A/N:
•Filtre analogique à SFe/2•Echantillonnage à SFe•Filtrage / sous-échantillonnage jusqu’à Fe
•En conversion N/A:•Sur-échantillonnage•Filtrage a Fe•Conversion N/A à SFe•Filtrage à SFe
Trois effets
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23Vocabulaire
Transparence:• Quelque soit les modification du signal audio, le résultat
n’est pas perceptible par l’oreille 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•L’erreur est corrélée au signal
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24Plan de la présentation
Perception-Audition
Signaux Numériques
Précision - Dynamique
Fréquence d’échantillonnage
Conclusion
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25Effet du dithering sur la précision
Spectre d’un signal quantifié sur 16 bits à -90dB de la pleine échelle
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26Perception du bruit de quantification
Bruit de quantification avec dithering sur 16 bits pleine échelle à 114dBspl
Dynamique
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27Cas du CD: Fe=44.1 kHz 120dBspl 16 bits
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28Après le CD: Quantification sans dithering
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29Autres 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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30Autres bruits: bruit d’enregistrement
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31Plan de la présentation
Perception-Audition
Signaux Numériques
Précision - Dynamique
Fréquence d’échantillonnage
Conclusion
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32Spectre audible / Fréquence d’échantillonnage
Test d’écoute 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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33Perception des fréquences >20kHz
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 jusqu’à 25kHz (fort niveaux)
•Intermodulation dans la bande (pitch perçu ~20kMEL)
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34Alors, quelle Fréquence d’échantillonnage ?
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35Etendue du spectre audio
Exemple: La cymbale “Crash”
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36Considérations temporelles(1/2)
Lors des test d’écoute a Fe élevée, « c’est 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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37Considérations temporelles(2/2)
Le filtrage anti repliement et de reconstruction:
• Pentes plus raisonnables
• Phase linéaire que dans la bande utile
=> 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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38Réponses impulsionelles des filtres
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39Plan de la présentation
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Signaux Numériques
Précision - Dynamique
Fréquence d’échantillonnage
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40Conclusion
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
L’appareil auditif est un très bon organe de perception.