Cours Codage du Son - MIC - PCM - ADPCM - les Codecs

1     Introduction 

Le son de façon native se représente par un signal analogique. Il s'agit en fait d'une onde acoustique issue de la vibration d'une membrane, un haut-parleur.

  
Au  niveau  humain,  on  retrouve  le  même fonctionnement  puisque  les  cordes  vocales  vibrent, produisent  une  onde  qui  est  ensuite  amplifiée  dans  la bouche. 

       
Le  codage  consiste  donc  à  faire  "rentrer " cette information dans l'ordinateur  afin de pouvoir la traiter et la transporter.
   
          

       
2     Le codage du son

2.1     L'échantillonnage

L'ordinateur ainsi  que  tout  système  informatique  fonctionne  avec  des informations numériques.  Il  faut  donc  pour pouvoir traiter du  son  passer par une  première  phase  de numérisation.
La numérisation fait  appel  à deux techniques qui  sont  l’échantillonnage et  la mesure d'amplitude.
L'échantillonnage  consiste  à  découper le  temps  en  éléments  élémentaires.  De  cet échantillonnage dépend la qualité du signal à l'arrivée.
La mesure d'amplitude consiste à coder le niveau du signal.

      

              

2.2     La valeur d'échantillonnage

Pendant  la  phase  d'échantillonnage,  une  perte  d'information  liée  à  la  fréquence d'échantillonnage est observée. L'objectif de l'échantillonnage est de 
           

• Numériser l'information sonore
• Restituer le plus fidèlement possible l'information numériser
• Optimiser la taille du fichier final

       
Cette phase est indépendante de la phase de compression qui peut ensuite être appliquée.

Cette fréquence d'échantillonnage dépend donc énormément du type de support. Pour assurer une  bonne  restitution  du  signal,  elle  doit  être  au  moins égale  au  double  de  la  plus haute fréquence.


2.3     Les types de son 
        

            

2.3.1 Le codage M IC ou PCM 

Le  codage  M IC  (Modulation  par  Impulsion  codée)  est  celui  utilisé  au  départ  pour  la téléphonie.
     

• Le signal sonore se situe dans la bande de 300 à 3400 Hz.

Le signal est soumis à une mesure toutes les 125 ms, donc 8000 fois par seconde, ce qui est deux fois plus rapide que la plus haute fréquence (4000 Hz).

• Le résultat de cette mesure est codé sur huit bits. On peut donc coder 28 = 256 niveaux d'amplitude). Comme la sensibilité de l'oreille varie non selon l'amplitude d'un signal, mais selon le logarithme de cette amplitude, les niveaux d'amplitude sont découpés en plages logarithmiques.

• Le signal qui en résulte a un débit de 8 * 8000 = 64 kbit/s.

         

Ce codage est également appelé PCM  (Pulse Code Modulation).  Il  s'agit  du  format  natif  de numérisation  utilisé  dans  les  fichiers  Wav (Windows) et AIFF (Apple). Ces formats sont non compressés.
           

            
2.3.2 Le codage ADPCM  

Adaptive Differential Pulse Code Modulation
Le  codage différentiel  ou codage delta évalue la différence entre le niveau du signal à l'instant de l'échantillonnage et le niveau qu'il avait lors de l'échantillonnage précédent.
Cette méthode de codage du son exige moins d'espace de stockage que le format PCM .
         

• Ce codage est  basé sur le fait  que la voix  présente  rarement  de  fortes transitions  de  niveau  entre  deux échantillonnages successifs.
• La différence à coder est généralement  moins  grande  que  le signal lui-même.
• Le  nombre  de  bits  de  codage  peut être diminué.   
• Ce qui réduit l'occupation en mémoire ou la bande passante (en bit/s) occupée lors d'une transmission.
• Comme  une  dérive  importante  peut avoir lieu après de nombreux calculs de  différence,  la  valeur exacte  d'un échantillon  est  transmise  à  des moments régulièrement espacés.

               

                  
        
2.4     Les codecs

Les Codecs, abréviation de codeur/décodeur sont des logiciels permettant de  réaliser ce codage  du  son.  Ces logiciels s'appuient  sur les éléments matériels disponibles dans les  cartes son, vois des processeurs de traitement de signal (DSP).

Il en existe toute une variété permettant de résoudre les compromis entre qualité et volume de stockage ou bande passante.

On distingue entre autre, trois qualités principales de son (comme vu précédemment) :
       

• qualité téléphone
• qualité radio
• qualité CD

          
Les codecs disponibles permettent toute une gamme de qualités intermédiaires en donnant le choix de combiner les modes de compression,  les fréquences d'échantillonnage,  ainsi  que la résolution. Certains sont également spécialisés dans le Streaming (flux en continu)

Les Codecs portent des noms comme 

·     audio Indeo,
·     G.723.1,
·     Lernout & Hauspie,
·     trueSpeech,
·     ADPCM ,
·     …

  
Liste de Codecs fournie par GSpot
        

        
2.5     La compression du son 
   
En  plus du  codage,  certains Codecs ont  une fonction  complémentaire qui  consiste à compresser les données afin de diminuer la taille des fichiers. Ces codecs (dont le plus célèbre est  le M P3  ) sont  basés sur l'analyse de la courbe de réponse de l'oreille (entre 20 Hz et  20 Khz) et donc "dégradent" l'information sans conséquences pour le résultat  final. Il s’agit donc d'une compression avec perte. Cette compression permet une diminution de la taille du fichier dans un rapport de 4 à 12.
Grâce à cette compression,  il  est  possible de stocker l'équivalent  de plus de 10  CD audio sur un CD de donnée codé en MP3.
            
2.6     Les formats de fichiers sons : 


2.6.1 Les formats audio :

     

      
2.6.2 Les formats mixtes 

D'une autre façon, le son se trouve souvent associé à des vidéos. Dans ce cas, le son est codé (compressé ou non) à l'intérieur des fichiers vidéos sur ce que l'on appelle des pistes audio (par analogie au cinéma).

Les fichiers Audio / Vidéo portent comme extensions : AVI, M OV, M PG ou M PEG, rm … 

3     Les logiciels de traitement du son 
        
- Lecture Audio :
      o  Windows Media Player
      o  Winamp
      o  MusicMatch Jukebox 
      o  …
            
- Logiciel de retouche  et d'enregistrement Audio
      o  Magnetophone de Windows
      o  Goldwave
      o  Audacity
      o  Protools
      o  …
           
- Les logiciels de composition musicale
      o  Cubase
      o  Melody
      o  …

          
- Les rippers et convertisseurs Audio 
      o  audiograber
      o  Xing M P3 Encoder/
      o  CDex
      o  …
         
- Les gestionnaires de codecs
      o  G-spot
      o  Sherlock 
      o  …