19. Carte son audio

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19.1. L'échantillonnage - 19.2. Enregistrement et reproduction audio - 19.3. Table d'onde et son midi - 19.4. Les DSP - 19.5. Le son 3D - 19.6. La connectique - 19.7. Les connecteurs et terminologie audio - 19.8. Choisir sa carte audio

19.1. L'échantillonnage.

Le son se propage sous forme d'ondes par compression - décompression de l'air à mesure de son déplacement, c'est un phénomène analogique. Pour la conversion en numérique, les cartes audio utilisent un convertisseur analogique-numérique (A/N ou ADC en anglais). En sens inverse, un convertisseur numérique-analogique (N/A ou DAC en anglais) transforme les valeurs numériques en analogiques pour produire le son. La conversion analogique-numérique, ou échantillonnage, peut produire des erreurs. La qualité du signal numérisé dépend de plusieurs facteurs:

  1. la gamme de fréquence d'échantillonnage. Une gamme de  fréquence entre 0 et 44,1 KHz correspond à la norme CD audio, en DAT, la fréquence maximum atteint 48 KHz. L'oreille d'adulte perçoit entre 30 hz (basses) et 22 Khz (haute), celle de certains animaux vont plus hautes (les sifflets haute fréquence utilisée pour les chiens). La zone est découpée en plage, par exemple en 44.000 gamme pour une plage audio
  2.  Le codage représente la précision du signal numérique pour chaque découpage. En 16 bits, chaque zone de fréquence permet une précision de 65.000 valeurs différentes. En haut de gamme, on passe à 24 ou même 32 bits.
  3. le taux de distorsion est lié aux erreurs de conversion. Il doit être inférieur à 0.005 %.
  4. le rapport signal/bruit quantifie le signal sonore par rapport au bruit de fond liés aux câbles, connecteurs, ... supérieur à 90 décibels pour une qualité acceptable.

19.2. Enregistrement et reproduction audio

Une carte son permet d'enregistrer et reproduire des sons simultanément. Cette fonction, appelée Full Duplex, est devenue indispensable avec le développement des applications multimédias et la téléphonie sur lnternet. Les musiciens s'intéresseront surtout au  Full Duplex hardware présent sur les cartes son de haut de gamme. Ceci permet aussi le mélange de plusieurs sources audio et de les enregistrer directement, sans perte d'informations, sur le disque dur (Direct-to-disk), voire d'intégrer des corrections, réverbérations dans l'enregistrement.

Reproduire un son à partir de données numériques n'est pas facile. Les premiers modèles utilisaient la synthèse FM ou modulation de fréquence qui combinait plusieurs ondes de fréquences différentes, mais avec un piètre résultat. Actuellement, elles utilisent la synthèse par tables d'échantillons sonores ou wavetables pour les moins performantes, un processeur spécialisé (DSP) pour les autres. Avec ce procédé, les sons numérisés peuvent être enregistrés dans une mémoire Ram spécifique, puis rejoués et modifiés sans trop solliciter le processeur.

19.3. Table d'onde et son midi

MIDI (Musical Instrument Digital Interface) permet à des instruments de musique électrique de communiquer entre eux. Une table d'ondes compatible avec la norme General Midi gère 128 instruments différents (banque) et est en pratique capable de reproduire le son de n'importe quel instrument. La qualité de cette reproduction dépend du taux d'échantillonnage enregistrés sur la mémoire de la carte. Plus la mémoire disponible pour la table d'ondes est importante, meilleure sera la reproduction sonore et l'enregistrement. Les banques wavetables (table d'onde) peuvent être enregistrés dans une mémoire Rom, donc non modifiable, et dans Ram additionnelle, modifiable. Elle peut aussi être stockée sur la mémoire vive de l'ordinateur mais c'est au détriment des performances générales. Généralement, toutes les notes de musiques par instruments ne sont pas mémorisées, seul la note "la" est numérisée par octave, les autres notes venant d'extrapolation.

En gros, le son au format a été créé de 3 manières différentes en fonction de l'évolution. Les premières cartes sons de bas de gamme utilisaient une simple programmation et utilisaient le processeur au maximum. Ce principe est appelé synthèse FM. Les processeurs de type MMX utilisent une décompression meilleure que la synthèse FM, pour une utilisation processeur de 30 % du temps de travail. La deuxième méthode, déjà utilisée par les cartes sons de marque de type Creative Labs SB32 utilisaient une table, un genre de mémoire en ROM, la WAVETABLE. Suivant le signal digital entrant, le circuit génère le signal sonore de sortie sur 16 canaux (signaux de sortie), les nouvelles montent à 128 canaux simultanés. Considérez que ces canaux sont chaque fois des instruments.

19.4. LES DSP

Actuellement, le principe utilise plutôt un processeur spécialisé de type microcontrôleur qui utilise un principe similaire, mais plus complet: le DSP (Digital Signal Processor). En fonction du signal d'entrée digital, le microprocesseur spécialisé va recherché dans une mémoire ROM le signal de sortie. Jusque là peu d'évolution, sauf que le circuit est également relié à une mémoire RAM. Vous pouvez donc charger de nouveaux sons dans cette mémoire RAM, ou pourquoi pas remplacer le son en ROM par un nouveau en RAM. Ce schéma théorique représente généralement un seul circuit électronique, sauf dans les cartes à mémoire extensible. Sur les cartes informatiques haut de gamme, le DSP peut même être reprogrammés pour effectuer des opérations complexes.

Le signal WAV n'est pas compressé. Ceci entraîne 172 KB 1 secondes en 44,1 Khz, 16 bits stéréos, soit 31 MB pour une chanson de 3 minutes. La norme midi n'enregistre pas les sons proprement dit, mais les paramètres qui servent à gérer ces sons. Le son MIDI est donc en quelques sorte compressé. Résultats, la chanson de 3 minutes ne prend plus que quelques kilo sur le disque dur. Il existe quelques shareware qui transforment de l'un à l'autre. De plus tous les fichiers midi permettent une modification d'une ou plusieurs notes sans réenregistrer le morceau en entier.

Les cartes sons sont caractérisés par le nombre de voies en polyphonie. Avec des possibilités d'addition de cartes filles permettant un meilleur traitement (Wave Blaster).

 

Caractéristiques

Divers

Polyphonie

SB16

Synthèse FM

Connecteur Wave Blaster

20

SB32

Wave Table

Connecteur Wave Blaster, extension RAM

32

SB64

Wave Table

512k d'origine, extension mémoire, Wave Blaster intégré

64

19.5. LE SON 3D

Les amateurs de jeux attachent une grande importance à la "spatialisation" du son. Cet effet permet de positionner un objet dans l'espace et de donner l'impression qu'il se déplace. L'environnement sonore peut même être modifié en fonction de l'ambiance du jeu. Ce réalisme sera réellement apprécié avec quatre haut-parleurs. Malheureusement chaque constructeur utilise sa propre norme de son 3D. Votre carte doit être au minimum compatible avec la norme Direct Sound 3D. Cette API créée par Microsoft fait partie de 1a famille des DirectX. Creative Labs en tiré une extension, nommée Environnement Audio, plus sophistiquée. Elle peut gérer des effets numériques en temps réel.

19.6. La connectique

Il existe des cartes son en bus ISA ou en bus PCI. La carte son peut également être intégrée directement sur la carte mère de l'ordinateur. Si le bus ISA a un débit trop faible pour les applications gourmandes comme le son 3D, il peut suffire pour des applications bureautiques. De toute façon, sauf quelques cartes de bas de gamme, elles sont toutes PCI.

Les connecteurs internes regroupent généralement une entrée ligne (chaîne stéréo), une entrée micro, une entrée joystick et une sortie haut-parleur. Sur certaines cartes, un pontage sur la carte permet d'utiliser cette sortie haut-parleur comme sortie ligne (tension de sortie plus faible). Actuellement, la majorité des cartes n'ont plus d'entrées ligne, remplacée par une deuxième sortie haut-parleur (effets 3D). Signalons que la sortie joystick est souvent utilisée comme entrée / sortie midi via un adaptateur fourni ou non.

19.7. Connecteurs et terminologie audio

La majorité des photos des connecteurs ci-dessus sont reprises du site http://www.gotronic.fr. Cette firme française de Margny (près de Florenville et Carignan dans les Ardennes Françaises) est spécialisée dans la vente par correspondance de composants électroniques et connecteurs. Je ne peut que m'empresser de vous donner ses coordonnées.

GO TRONIC
4, Route Nationale - B.P.13
08110 BLAGNY (CARIGNAN)

contacts@gotronic.fr

Téléphone, de France 03.24.27.93.42 (+33.3.24.27.93.42 depuis l'étranger)

Fax, de France: 03.24.27.93.50 (+33.3.24.27.93.50 depuis l'étranger)

Avant de commencer, faisons un petit tour des connexions audio utilisées dans la hifi, voire dans les sonorisations DJ et groupes. La connectique audio sont caractérisées par le connecteur, la tension de sortie et l'impédance (résistance de la source audio).

19.7.1. Les connecteurs utilisés.

Les connecteurs jack sont dissociés en six modèles: trois dimensions 2.5, 3.5 et 6.35 mm. Les 2,5 mm sont les seuls utilisés en informatique audio. Les 6,5 sont utilisés en sonorisation semi professionnelles pour le raccordement des HP, amplis, micros. Chaque modèle peut être mono ou stéréo. Les prises mono peuvent être utilisées pour les appareils stéréo, le connecteur se branchant dans les 2 canaux

 

1. Connecteur jack mono 2.5

2. Connecteur jack stéréo 2.5

3. Connecteur jack mono 3.5

4. Connecteur stéréo mono 3.5

Les 4 derniers sont des jack 6.5 avec une contour plastique ou métalliques.

En cas d'une sortie stéréo pour se brancher sur une prise mono, on soude les deux canaux sur le connecteur mono. La masse est toujours équivalente.

Les prises CINCH (ou RCA) sont toutes mono, on utilise deux connecteurs pour les entrées / sorties stéréo. Elles ne sont pas utilisées en audio informatique. Des adaptateurs permettent de passes des jack au CINCH. Ces connecteurs sont utilisés par les chaîne audio grand public.

Les prises XLR sont utilisées dans les appareils de sonorisation audio professionnels (haut-parleur, micro et amplis). Selon le câblage interne, elles peuvent être mono ou stéréo mais sont généralement mono. Dans la majorité des cas, on utilise une masse commune. Les 2 autres broches sont connectées sur le + et le - du signal. Cette solution permet d'éliminer les perturbations liés à des phénomènes électriques. Attention dans le DMX, parfois dans les appareils, le + et le - sont connectés différemment (+ et - inversés), il faut donc vérifier sur l'appareil à connecter.

Le 1 est repris pour la masse commune, le 2 et le 3 peuvent être DATA + ou DATA - selon l'appareil. Dans le cas de connectique standard, le 1 reste la masse, le 2 et le 3 sont respectivement le canal gauche et le canal droit. 

Vue du connecteur coté boîtier (1 et 2 inversés pour le connecteur relié au câble).

Les connecteurs midi sont spécifiques pour les appareils musicaux. Le connecteur passe généralement par un adaptateur du port GAME.

Les connecteurs optiques sont de type digital. Ils ne se retrouvent que sur les chaînes HIFI et sur les cartes son de haut de gamme

Ci-dessus la face avant du boîtier externe d'une carte son Creative Labs Audigy Platinium avec les différents connecteurs dont 2 optiques et 2 midi. Ce modèle de carte audio évite d'utiliser une table de mixage pour les enregistrements

D'autres connecteurs de moindre importance sont parfois utilisés, notamment les anciennes DIN utilisées par les appareils audio allemands.

19.7.2. Les améliorations du son.

Certains appareils, y compris les cartes audio de haut de gamme sont compatibles Dolby stéréo. Ce système permet une meilleure reproduction des sons.

19.7.3. Tension et impédance.

Chaque canal de sortie (et donc d'entrée) est caractérisée par une tension de sortie maximum et une impédance (résistance interne de la source de courant). Cette impédance limite le courant de sortie en fonction de l'alimentation. Les entrées / sorties CD, cassettes et line sont identiques en analogique et standardisée à 250 mV (même si un ampli ou une table de mixage audio réservent des canaux distincts). Les appareils peuvent être raccordés sur n'importe quelle entrée "ligne". Par contre, les platines pour disque vinyle ont une forte impédance pour une tension plus faible. L'entrée doit être spécifique. L'enregistrement du son sur un ordinateur passe donc par un ampli correcteur (entrée sur l'amplification par une entrée platine, sortie sur enregistrement LINE) ou par une table de mixage utilisée par les DJ en sonorisation mobile.

19.7.4. Les codec.

Le CODEC se retrouve aussi bien en acquisition vidéo qu'en audio, c'est le mécanisme qui permet de transférer un signal analogique en signal digital (lisible par un PC). Ce codec est spécifique pour chaque carte et est inclut dans le pilote. Il peut-être hardware, software ou mélangé. Dans le dernier cas, d'autres fonctions sont incluses comme la transformation en dolby ou même la suppression des "craquements audio" des disques vinyles.

Attention, en enregistrant des disques au format WAV, vous ne pourrez pas forcément les relire avec une autre carte audio, justement à cause de ces CODEC.

19.8. Choisir sa carte son.

La majorité des cartes mères actuelles incluent une carte audio intégrée qui utilise le CODEC hardware AC'97. Celui-ci se contente de gérer le flux audio (transfert analogique / digital), alors que le processeur traitera des effets sonores. Pour la majorité des utilisateurs, cette carte son est suffisante. Par contre, pour des applications multimédia élaborées, l'utilisation de DSP directement décodés par le circuit électronique de la carte son est obligatoire, y compris pour les musiciens qui utilisent les entrées midi.

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