TS Thème : Agir TP n°24 Physique Numérisation d’un signal analogique- Correction Chap.21 Document fortement inspiré de O. Chaumette – Lycée JP Sartre – 69 BRON I. Signal analogique, signal numérique  Analogiques : A, C, F et G ; Numériques : B, D, E et H II. La fréquence d’échantillonnage 1. Généralités  Plus la fréquence d’échantillonnage sera grande, plus la période d’échantillonnage sera [grande / petite], plus le nombre d’échantillons sera [grand / petit], plus le signal numérique sera [proche/éloigné] du signal analogique et donc [meilleure/moins bonne] sera la numérisation 2. Approche expérimentale 2.1. 1er cas : faible fréquence d’échantillonnage 1 1  TE = = = 1 ms comme la durée totale d’acquisition est de 10 ms le nombre de point à saisir est : fE 1  103 Npoints = 10/1 = 10 points.  On rappelle que Tsignal = 2 ms. Comme TE = 1 ms, sur une période, seules 2 valeurs sont acquises. Très nettement insuffisant pour reproduire la forme du signal. 2.2. 2nd cas : grande fréquence d’échantillonnage 1 10  TE = = 200 points. 3 = 0,05 ms. On choisit alors N = 0,05 20  10  Tsignal = 2 ms. Donc sur une période, il y aura 40 valeurs pour tracer le signal numérique. On se rapproche alors de la forme du signal analogique. Il faut que FE soit grande. 2.3. Le domaine de fréquences audibles par l’Homme est limité à 20 kHz. Il faut donc, dans un son, conserver les fréquences proches de 20 kHz si l’on veut le numériser correctement. D’où le choix de 44,1 kHz (supérieur au double du 20 kHz). NB : le 44,1 (et non 44,0) vient d’un choix technologique datant de l’époque du stockage des sons sur la bande magnétique d’un magnétoscope. 2.4. FE doit être supérieure à 2  3400 Hz = 6800 Hz . C'est pourquoi la fréquence échantillonnage de la téléphonie est de 8000 Hz. 3. Influence de la fréquence d’échantillonnage sur les hautes fréquences du signal analogique 3.1. Le son en 8 kHz est moins riche et surtout possède moins d’aigu. Baisser la fréquence d’échantillonnage élimine les informations sur les hautes fréquences. 3.2. Le son en 8 kHz ré-échantillonné en 44 kHz reste le même. Augmenter le nombre d’échantillons ne rajoute pas les informations manquantes entre un 8 kHz et un 48 kHz. Il est donc inutile de réaliser ce rééchantillonnage. (On a juste un son « mauvais » qui nécessite beaucoup d’octets pour être décrit : absurde !) 3.3. Exercice  Un son aigu a une fréquence de 10 kHz. Un son grave a une fréquence de 100 Hz 3.3.1 Taigu = 10-4 s et Tgrave = 10-2 s. 3.3.2 Si FE = 1 kHz alors TE = 10-3 s. 3.3.3 Pour le son grave, chaque période est décomposée en 10 échantillons. Pour le son aigu, dans un échantillon, il y a 10 périodes donc l’information du son aigu est perdue. 4. Conclusions  Il faut choisir FE de manière à ce que FE > 2Fmaxi du signal analogique  Une fréquence FE trop faible enlève l’information portant sur les hautes fréquences du signal analogique. 12/04/2015 P21_numerisation_signal_analogique_corr.doc 1/2 III. La quantification 1. Présentation de la quantification 2. Qu’est-ce qu’un bit ? 2.1. Avec 4 bits, on peut écrire 24 = 16 valeurs 2.2. Avec n bits, on peut écrire 2n valeurs 2.3. Exemples d’écriture binaire 2.3.1 (01001101)2 = 1x64+1x8+1x4+1x1 = (77)10 2.3.2 La valeur maximale que peut prendre une grandeur codée sur 4 bits est 1111 soit 8+4+2+1 = 15 2.3.3 (15)10 = (00001111)2 et (16)10 = (00010000)2 2.4. Exemples de quantifications 2.4.1 On dispose de 216 = 65536 valeurs pour traduire l’amplitude du signal dans chaque échantillon. 2.4.2 On dispose de 28 = 256 valeurs seulement pour traduire l’amplitude du signal dans chaque échantillon. 2.4.3 Lors de la quantification, plus le codage s’effectue avec un nombre important de bits, plus l’amplitude du signal numérique sera [proche/éloignée] de celle du signal analogique et donc [meilleure/moins bonne] sera la numérisation. 2.5. Exercice 2.5.1 En 24 bits : 224 = 16 777 216 possibilités et en 4 bits : 24 = 16 possibilités. 2.5.2 Avec 16 possibilités, on ne pourra pas distinguer deux sons d’intensité sonore très proche. 3. Influence de la quantification sur la qualité d’un son 3.1. Ces fichiers ont la même fréquence d’échantillonnage. En réduisant la quantification de 16 bits à 8 bits, on perd de l’information sur l’amplitude et l’ordinateur ce qui a pour effet de créer du bruit (un souffle). IV. Choix des critères de numérisation La limite vient du nombre d’octets qui vont être nécessaires pour numériser le signal car ce nombre sera écrit sur un support de stockage (disque dur, clé USB, DVD…). La capacité de stockage de ces supports n’est pas illimitée. De plus, il faut penser qu’il faut du temps pour écrire toutes ces données sur un support (durée qui dépend de beaucoup de paramètres : type de support, version du port USB etc.…) Les informaticiens parlent de « flux » ou « débit binaire » (en ko/s ou Mo/s). Cette vitesse d’écriture ne peut pas être infinie ! Il en est de même pour transmettre l’information sur un réseau : chaque réseau a son propre débit et réduire le nombre d’octets d’une numérisation d’un son (par exemples) permettra de faire circuler plus de sons numériques différents par seconde. 1.2. Exemples 16 1.2.1 N = 44 100  ( )  60  2 = 10 584 000 octets soit environ 10,6 Mo (en réalité 10,9 Mo, voir remarque) 8 24 1.2.2 N = 48 000  ( )  60  2 = 17 280 000 octets = 17,3 Mo (en réalité 16,5 Mo, voir remarque) 8 1.2.3 En une minute, peut transiter 230  60 = 14 Mo environ. C’est suffisant pour transmettre le son du CD, pas celui du DVD (les informations seront incomplètes, saccadées car le débit n’est jamais réellement constant et une partie du son du DVD sera quand même transmis…) 2. Exercice bilan 2.1. N = 16 000 x (8/8) x 3x60 (3 minutes) x 1 (mono) = 2,88.10 6 o = 2,8 Mo 2.2. N = 48 000 x (24/8) x 3x60 x 2 (stéréo) = 51,8.106 o = 49,4 Mo 2.3. FE faible : des aigus semblent absents de la chanson. Quantification faible : on entend beaucoup de bruit et peu la distinction son intense/peu intense. 2.4. NON, les fréquences aigues absentes ne peuvent pas être « inventées » et le bruit reste présent. Il est juste codé sur plus de bits. 2.5. Elle ne peut pas ! 1.1. 12/04/2015 P21_numerisation_signal_analogique_corr.doc 2/2