L’audio numérique standard repose sur un principe simple : capturer la forme d’onde, stocker les informations mathématiques et recréer la forme d’onde. En théorie, c’est propre. En réalité, il s’agit d’une série de transformations qui provoquent du bruit, de la distorsion et des erreurs de phase.
Pour comprendre pourquoi le convertisseur numérique-analogique (DAC) 1 bit existe, vous devez comprendre les mécanismes de base de l’enregistrement numérique. L’objectif est la haute fidélité. Nous souhaitons que la reproduction soit la plus proche possible du signal original. Une reproduction parfaite est également requise. Peu importe le nombre de fois que vous l’avez écouté, le son devrait être le même à chaque fois que vous appuyez sur Play.
L’audio numérique y parvient en éliminant complètement les ondes analogiques. Au lieu de cela, il convertit la tension audio continue en un flux numérique. Un convertisseur analogique-numérique (ADC) gère cette capture. Un convertisseur numérique-analogique (DAC) convertit ces chiffres en tensions de haut-parleur.
Ce processus est déterminé par deux variables contrôlées lors de l’échantillonnage.
- Taux d’échantillonnage : Nombre d’instantanés de forme d’onde pris par seconde.
- Précision d’échantillonnage : Combien de niveaux différents (étapes de quantification) existe-t-il entre le volume minimum et maximum.
Considérons une configuration hypothétique avec une fréquence d’échantillonnage de 1 000 Hz et une résolution de 10 étapes.
Chaque milliseconde, l’ADC prend la tension actuelle de la forme d’onde et l’arrondit à l’entier le plus proche entre 0 et 9. Ces entiers sont une représentation numérique. Le DAC essaie de reconstruire les courbes lors de leur lecture. Le résultat est une approximation étape par étape de l’onde originale.
Cette étape peut introduire des artefacts. Il y a du bruit. Une distorsion se produit.
Un DAC 1 bit élimine cette complexité. Il ne s’agit pas d’une représentation exacte. Je n’essaie pas de faire trop de choses à la fois. Utilisez seulement deux modes : activé ou désactivé. Est-ce haut ou bas ? 1 ou zéro.
Les convertisseurs 1 bit utilisent des techniques appelées suréchantillonnage et mise en forme du bruit en augmentant le taux d’échantillonnage jusqu’à des millions de fois la fréquence audio. Il déplace le bruit de quantification de la plage audible vers le spectre ultrasonique, où il peut être facilement filtré.
Le résultat est une forme d’onde complètement différente de la ligne bleue décalée observée dans les DAC traditionnels. Il s’agit d’un flux brut d’impulsions haute fréquence qui, une fois lissées par le haut-parleur, produisent un son analogique fluide.
Cette approche est souvent appelée Direct Stream Digital (DSD). Il a été développé par Sony et Philips pour le format Super Audio CD. Il ne s’agit pas seulement d’une manière de stocker les données différemment. Il s’agit d’une philosophie différente sur la façon de gérer le bruit.
Les DAC multibits traditionnels (tels que le PCM 16 bits ou 24 bits) ont du mal à gérer la linéarité. De petites erreurs dans le code numérique entraînaient une distorsion harmonique. Un DAC 1 bit ne présente pas de tels problèmes de linéarité. Il est soit complètement allumé, soit complètement éteint. « Presque » n’est pas une option.
Cependant, cette simplicité s’accompagne de compromis. La vitesse des données est énorme. Un fichier audio CD standard prend environ 10 Mo par minute. Les fichiers DSD de même qualité font plus de 400 Mo. C’est pourquoi il ne figure pas dans les paramètres par défaut de Spotify ou d’Apple Music. C’est très lourd. C’est complexe à traiter.
Cependant, les audiophiles considèrent les caractéristiques du son de la manière suivante.
Jetons un coup d’œil à la comparaison des formes d’onde. La ligne bleue semble désordonnée par rapport à la ligne rouge d’origine. Les détails disparaissent. Les reproductions sont inégales, inexactes et présentent des défauts évidents. Il s’agit d’une véritable erreur d’échantillonnage. C’est la différence entre le son réel du monde analogique et ce que les systèmes numériques enregistrent. Vous ne pouvez pas l’ignorer. Ce problème doit être résolu en augmentant deux facteurs : la fréquence d’échantillonnage et la précision.
Corriger l’écart de précision
Les tentatives précédentes étaient trop difficiles. Pour de meilleurs résultats, la vitesse et la précision doivent être doublées. Cela signifie que le nombre de mesures par seconde est doublé et que le nombre d’étapes disponibles pour la mesure est doublé.
Dans ce scénario mis à jour, le système capture l’amplitude à 20 gradations. Cela se fait à une fréquence de 2 000 échantillons par seconde. Il s’agit d’une avancée significative par rapport aux tentatives de basse fidélité. La ligne bleue est désormais plus étroitement intégrée à la ligne rouge. Les bords irréguliers deviennent plus lisses. L’expression se rapproche de la réalité.
Une fréquence d’échantillonnage plus élevée et une profondeur de bits plus élevée réduisent les erreurs entre la source analogique et la copie numérique.
Pourquoi c’est important pour l’audio de tous les jours
Vous pourriez penser que ce n’est qu’une théorie. Ce n’est pas vrai. Chaque fois que vous écoutez une chanson ou enregistrez un mémo vocal, votre appareil mène la même bataille. Si le taux d’échantillonnage est trop faible, le son sera déformé. Les hautes fréquences sont perdues. La musique semble boueuse ou métallique. La précision est également importante. Sans suffisamment de dégradés (bits), les détails discrets se fondent dans le silence ou le bruit.
En doublant la vitesse à 2 000 échantillons par seconde, vous pouvez capturer davantage de formes d’onde. Augmenter le niveau à 20 permet une séparation plus fine des volumes. Le résultat est un signal qui ressemble davantage à une performance live. Ce n’est pas encore parfait. Mais c’est plus proche.
La ligne rouge est toujours idéale. La ligne bleue est la meilleure approximation. L’utilisation de plus de points de données et d’étapes plus précises améliore l’ajustement. La différence se réduit. Mais à moins de disposer de ressources infinies, cela ne disparaît jamais vraiment. C’est le compromis. Plus de données nécessitent plus de puissance de stockage et de traitement. Moins de données permettent d’économiser de l’espace, mais réduisent la précision. Vous devez choisir où tracer la ligne.
Des choses intéressantes se produisent lorsque vous augmentez le taux d’échantillonnage et la résolution. En regardant le graphique, la vitesse et la précision ont doublé pour atteindre 40 niveaux à 4 000 échantillons par seconde. Une meilleure fidélité. La forme d’onde de sortie commence à ressembler au signal d’origine. Pour le CD, la norme est de 44 100 échantillons par seconde (44,1 KHz) avec 65 536 gradations (16 bits). À ce niveau, la sortie du DAC correspond si fidèlement à la forme d’onde qu’elle sonne « parfaitement » à l’oreille humaine.
Mais le matériel peut rapidement devenir coûteux.
Les DAC traditionnels utilisent des résistances différentes pour chaque bit. Un DAC 4 bits nécessite quatre résistances en parallèle. Le passage à 16 bits ou 32 bits nécessite suffisamment de résistance pour gérer 65 536 gradations. Faire correspondre exactement ces valeurs est un cauchemar pour les fabricants.
Les convertisseurs D/A doubles un bit résolvent ce problème en contournant entièrement la banque de résistances. Les résistances parallèles ne sont pas utilisées. Au lieu de cela, il crée un signal modulé basé sur les données numériques. Ce processus est basé sur la mise en forme du bruit.
Pourquoi la mise en forme du bruit fonctionne
Les oreilles humaines ont leurs limites. Nous sommes plus sensibles au bruit autour de 5 kHz. À peine perceptible jusqu’à 20 KHz. La mise en forme du bruit pousse les erreurs de quantification (bruit) vers des fréquences plus élevées, les rendant inaudibles. Les DAC produisent des signaux analogiques stables sans avoir besoin de centaines de composants de précision.
Rôle du modulateur delta-sigma
Le modulateur delta-sigma est le cœur de ce convertisseur. Prend un signal binaire (1 et 0) d’un CD et le convertit en un train d’impulsions. C’est bien plus qu’un simple streaming. Le train d’impulsions contient le changement d’énergie moyen de chaque échantillon.
Les formes d’onde en rafale sont cadencées à une très haute fréquence. Taux d’échantillonnage supérieur à 44,1 kHz. Ce suréchantillonnage est important. Ensuite, un filtre passe-bas supprime les informations du domaine temporel. Renvoie simplement l’énergie moyenne du train d’impulsions. Le résultat est transmis au DAC et un signal analogique est envoyé.
Comment le circuit se décompose
Le circuit delta-sigma comporte deux parties différentes.
- Delta surveille le signal numérique entrant et le train d’impulsions sortant. En fonction de la différence entre les deux, calculez le signal d’erreur.
- Sigma résume le résultat de ce signal d’erreur. Cette somme sera envoyée au filtre passe-bas.
Le filtre passe-bas utilise le signal d’erreur pour faire la moyenne de la sortie analogique. Des ajustements minutieux compensent les écarts entre l’entrée binaire et la sortie du train d’impulsions. Le résultat est fluide.
Résultats
Obtenez un son de haute qualité avec un matériel simple. Pas besoin de faire correspondre les 65 536 résistances. Le bruit est poussé hors de la plage audible. L’auditeur entend de la musique, pas des mathématiques.
Cette approche change la façon dont les équipements audio sont construits. Déplacez la complexité de la précision analogique vers le traitement numérique. Le compromis est la puissance de calcul. Mais pour la plupart des auditeurs, le compromis en vaut la peine.
La technologie derrière ces convertisseurs est très intensive. Des schémas et des instructions détaillés sont disponibles en ligne. Si vous souhaitez en savoir plus, consultez Modulation Delta Sigma et Modulation Delta adaptative. Le calcul est compliqué. Le résultat est simple. Le son est clair.
Vous vous demandez toujours comment cela affecte votre audition au quotidien ? La différence entre les DAC bon marché et les DAC haut de gamme réside souvent dans leur capacité à gérer la mise en forme du bruit. Ce ne sont pas seulement des morceaux et des échantillons. Il s’agit de la façon dont les machines cachent leurs défauts.
