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Laurent Saïd (98)ST Microelectronics

12, avenue Jules Horowitz38000 GRENOBLE

06.71.58.40.49email : 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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6 Oreille Externe

Fonction de transfert

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7 Oreille 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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8 Fonction de Transfert OM

H(f)=Pv/PtPv Pression acoustique au vestibulePt Pression acoustique au tympan

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9 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

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10 Oreille Interne: Coupe de la cochlée

Transmission électro-chimique

Transmission hydromécanique

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11 Système Auditif Central

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12 Perception de la force sonore

Courbe d’isosonie

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13 Effet de masque simultané

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14 Bandes critiques

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15 Effet de masque temporel

Masquant

Niveau du son « juste masqué »

ProactifRéactif

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16 Perception de la hauteur

Stevens & Volkman 1940

Non linéaire

Echelle perceptuelle

)1(log.)( 2 xxMel

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17Plan de la présentation

Perception-Audition Signaux Numériques Précision - Dynamique Fréquence d’échantillonnage Conclusion

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18 PCM : Pulse Code Modulation

Temps

Temps

TempsOpérations lors de la numérisation:

• Echantillonnage

• Quantification

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19 Echantillonnage

Théorème

• Shannon (1948)

• Kotel’nikof (1933)

• Nyquist (1928)

• Whittaker (1915)

Théorème de

reconstruction

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20 Quantification

Introduit du bruit:

• Corrélé au signal

• Probabilité uniforme

• Puissance f(nombre de pas)

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21 Dither soustractif et non-soustractif

Ajout d’un bruit avant la quantification:

Quantification

Channel

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+X(n)

b(n)

Y(n)

Quantification

Channel

++

X(n)

b(n)

Y(n)

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22 Dualité 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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23 Vocabulaire

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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25 Effet du dithering sur la précision

Spectre d’un signal quantifié sur 16 bits à -90dB de la pleine échelle

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26 Perception du bruit de quantification

Bruit de quantification avec dithering sur 16 bits pleine échelle à 114dBspl

Dynamique

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27 Cas du CD: Fe=44.1 kHz 120dBspl 16 bits

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28 Après le CD: Quantification sans dithering

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29 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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30 Autres 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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32 Spectre 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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33 Perception des fréquences >20kHz

Oreille Moyenne:• Commence à filtrer passe-bas à partir de ~10kHz

•Plus grand-chose après 20kHzCochlée

•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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34 Alors, quelle Fréquence d’échantillonnage ?

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35 Etendue du spectre audio

Exemple: La cymbale “Crash”

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36 Considérations 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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37 Considérations 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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38 Réponses impulsionelles des filtres

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39Plan de la présentation

Perception-Audition Signaux Numériques Précision - Dynamique Fréquence d’échantillonnage 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

L’appareil auditif est un très bon organe de perception.