Fréquence d’échantillonnage

La fréquence d’échantillonnage

Pour transformer un son dit analogique en numérique, nous utilisons un processus appelé : échantillonnage. L’échantillonnage se produit dans un convertisseur (ou une carte son). Le principe est de prendre des instantanés réguliers, qui sont les mesures de la tension du signal analogique et de les transformer en données numériques dont le langage sont des nombres (numéros).

Voici un schéma représentant les échantillons inclus dans l’amplitude d’une onde sonore. Le nombre d’échantillons dans cette onde défini le taux d’échantillonnage ou la fréquence d’échantillonnage.

La fréquence d’échantillonnage s’exprime en Hertz (Hz) ou (kHz). On retrouve communément les valeurs suivantes : 44 100 Hz, 48 000 Hz, 96 000 Hz, 192 000 Hz. Le standard CD et digital mondial est de 44 100 Hz. Ce qui veut dire que pour chaque seconde, il y a 44 100 échantillons (samples) joués. Plus la fréquence d’échantillonnage (nombre d’« instantanés » du son pris à chaque seconde) est élevée, plus l’analyse et l’encodage de la musique en données numériques seront précis. La fréquence d’échantillonnage affecte la plage de fréquence audio de la valeur tonale la plus basse à la plus élevée, pouvant être stockée.

L’encodage à 16 bits / 44,1 kHz, constituait la meilleure qualité disponible au lancement du CD au début des années 1980, mais les choses ont évolué, et nous sommes désormais capables d’enregistrer et de distribuer de la musique à des niveaux de profondeur de bit et de taux d’échantillonnage supérieurs. Ces formats sont utilisés lors des enregistrements en studio et pour le mastering depuis de nombreuses années.

L’audio haute résolution (HRA) correspond à tout format d’enregistrement supérieur à la norme 16 bits / 44,1 kHz du CD, et les enregistrements HRA recourent généralement à un encodage 24 bits, offrant une plage dynamique plus importante que le CD et des taux d’échantillonnage pouvant atteindre 192 kHz. Ce qui constitue le summum des enregistrements HRA commerciaux. Il s’agit avant tout de vous rapprocher au mieux du son entendu en studio.

Quelles fréquences d’échantillonnage choisir ?

Pour capturer les plus petits détails dans les hautes fréquences, nous devons prélever des échantillons plus souvent. La façon dont cela fonctionne est qu’un taux d’échantillonnage donné peut enregistrer avec précision des fréquences audio jusqu’à un peu moins de la moitié de sa valeur. Par exemple, un taux d’échantillonnage de 48 Khz peut enregistrer avec précision des fréquences audio jusqu’à un peu moins de 24 Khz. Cette limite de la moitié du taux d’échantillonnage s’appelle la fréquence de Nyquist, et elle est nommée d’après l’un des ingénieurs qui a développé le calcul derrière le principe de l’échantillonnage.

L’oreille humaine peut en général entendre sur le spectre suivant : 20 Hz – 20 000 Hz. Comme on vient de le voir, pour qu’il n’y ait pas de perte flagrante, la fréquence d’échantillonnage doit être au moins deux fois plus élevée que la fréquence maximale contenue dans le son à numériser. Il faut que la fréquence d’échantillonnage soit d’au moins 40000 Hz pour avoir un résultat correct à nos oreilles.

C’est pourquoi la résolution de 44 100 Hz est la plus utilisé car elle permet de couvrir le spectre jusqu’à 22 050 Hz. Nous bénéficions même d’une petite marge car nous aurions pu arrondir à 40000 Hz mais cela veut dire aussi que si vous exportez votre musique avec une fréquence d’échantillonnage supérieure à 44 100 Hz, votre oreille sera incapable d’entendre la différence.

Les filtres anti aliasing

La première chose qu’un convertisseur analogique-numérique fait à l’audio analogique avant l’échantillonnage est de filtrer toutes les fréquences au-dessus de la limite de Nyquist pour la fréquence d’échantillonnage souhaitée. Si elles ne sont pas filtrées, toutes les fréquences supérieures à Nyquist seront réinjectées dans l’échantillonnage. C’est ce qu’on appelle un effet d’aliasing.

Heureusement, presque tous les convertisseurs du marché ont aujourd’hui mis en place des filtres anti-aliasing de haute qualité. De ce fait, aucun effet indésirable d’aliasing ne se produira et toutes les fréquences inférieures à Nyquist seront enregistrées avec précision. Dans la plupart des cas, tant que vous utilisez un convertisseur de bonne qualité et un taux d’échantillonnage d’au moins 44,1 Khz, vous pouvez enregistrer proprement toutes les fréquences inclus dans la plage de l’audition humaine. Maintenant, comme le convertisseur analogique-numérique mesure chaque échantillon, il doit assigner un nombre à cet échantillon puisque c’est ce qui le rend numérique par opposition à l’analogique.

Et les cartes son allant jusqu’à 192 000 Hz ?

Il y a deux intérêt à travailler à une fréquence très élevés :

• La première est que les pilotes de votre carte son (surtout les convertisseurs professionnel) seront optimisés pour une fréquence d’échantillonnage donnée. En général, les pilotes ASIO de vos convertisseurs sont optimisés pour la fréquence d’échantillonnage maximum qu’elle propose : 96 000 Hz et 192 000 Hz dans la majorité des cas. Ca peut être surprenant, mais vous aurez moins de latence et plus de soulagement pour le micro-processeur avec une fréquence d’échantillonnage plus grande.
• La deuxième raison, ce sont les plugins et les banques sons (samples) utilisés. En effet, certains plug-in sont aussi optimisés pour une fréquence bien précise. Mais ça n’a que très peu de répercussions sur la qualité de votre son au final.

La quantification

Comme vous le savez probablement, les ordinateurs utilisent des nombres binaires, un langage de zéros et de uns. Ainsi, une mesure d’échantillon audio numérique est enregistrée comme une chaîne de nombres binaires. Et tout comme les nombres normaux peuvent être rendus plus précis en ajoutant des chiffres après la virgule, les nombres binaires peuvent être rendus plus précis en utilisant une résolution plus élevée soit plus de bits ou de chiffres binaires.

Le nombre de bits utilisés pour enregistrer une mesure d’échantillon est appelé la profondeur de bits. Une plus grande profondeur de bits divise la gamme des amplitudes possibles en morceaux de plus en plus petits, respectant avec plus de précisions les variations d’amplitude. Plus la valeur de quantification est élevée, plus la mesure est fidèle au signal original. En augmentant la valeur de quantification, on augmente la précision de la mesure et donc la fidélité de l’enregistrement. On augmente aussi la taille des fichiers générés qui contiennent plus de données.

Les profondeurs de bits les plus courantes sont 16 bits et 24 bits. L’audio 16 bits est la norme pour les CD, et il divise la plage d’amplitude en 65 536 niveaux de quantification possibles. L’audio 24 bits est la norme pour l’enregistrement et divers formats haute définition, et il divise la plage d’amplitude en 16 777 216 niveaux de quantification possibles, et cela fait beaucoup de niveaux.

Conclusion

L’audio analogique est converti en numérique en utilisant un échantillonnage à une fréquence d’échantillonnage spécifique. Et avant que les échantillons ne soient prélevés, l’audio passe par un filtre anti-aliasing pour supprimer toutes les fréquences au-dessus de la limite de Nyquist ou la moitié de la fréquence d’échantillonnage, ce qui pourrait potentiellement provoquer des effets indésirables. Ensuite, chaque échantillon est quantifié en un nombre dont la précision est déterminée par la profondeur de bit. C’est le processus fondamental pour créer de l’audio numérique, et tout ceci se répète des milliers et des milliers de fois chaque seconde.