6 Numérisation du signal audio et vidéo

QUELQUES RAPPELS DE COURS : NUMERISATION DU SIGNAL

PROCESUS : filtrage -> Echantillonnage -> Quantification -> Codage

Processus d’échantillonnage : échantillonner un signal analogique c’est prélever des valeurs de ce signal à des intervalles réguliers : fe = 1/Te.

Du point de vue fréquentiel, échantillonner consiste à faire un produit de convolution (cours traitement du signal) entre les fréquences du signal audio et de l’impulsion.

recouvrementdespectre.jpg Si on fait une décomposition spectrale du signal échantillonné, on retrouve une répétition périodique du spectre audionumérique autour de fe (fréquence d’échantillonnage).Donc, lorsqu’on numérise un signal, il faut d’abord le filtrer pour qu’il n’y ait pas de recouvrement de spectre. On doit respecter le Théorème de Shanon ci dessous :

Théorème de Shanon : Pour qu’il n’y ait pas de recouvrement de spectre, il faut que fe > 2fmax du signal à transmettre. On nomme fe/2 fréquence de Nyquist,

Si une fréquence dépasse la fréquence de Nyquist avant l’échantillonnage on va retrouver une fréquence parasite appelée « alias » qui sera la symétrique par rapport à la fréquence de Nyquist.C’est le phénomène d’aliasing. Si la fréquence d’échantillonnage (fe) est proche de la fréquence max on aura une mauvaise interprétation du signal échantillonné : apparition d’un alias dans les basses fréquences.

On retrouvera ce phénomène d’aliasing à chaque prélèvement d’intervalle de temps régulier d’un signal périodique. Si on filme à 24 i/s les roues d’une voiture : à la diffusion l’oeil percevra un mouvement inversé ou ralenti si la fréquence de rotation est proche des 24 Hz.

frquencesdchantionnage.jpg

Les différentes fréquences d’échantillonnage en audio.

fréquences SD      48KHz     44,1KHz         32KHz
fréquences HD     96KHz     88,2KHz         192KHz

En plus des trois fréquences de base, il existe tout en ensemble de fréquences Pull Up, Pull Down, destinées à faire des transferts vidéo-film sans passer par un convertisseur analogique-numérique. Par exemple les fréquences 47952 Hz et 48048 Hz sont respectivement les fréquences Pull Down et Pull Up du 48000Hz. Cliquez sur l’image.

Les différentes fréquences d’échantillonnage en vidéo.

fréquences luminance = 13,5MHz
fréquences chrominance = 6,75MHz
fréquence de base = 3,375MHz.

Les formats sont :  4 : 4 : 4 :   4 : 2 :2 :   4 : 2 :0 :   4 : 1 :1 :

PAL 625/50 : 625 x 25 = 15625 lignes/sec Nombre d’échantillons/lignes = fe/ 15625 = 864.

NTSC 525/59,94 : 525 x 29,97 = 15734,25 ligns/sec Nbre d’échantillons/lignes = 13,5 x106/15734,25 = 858.

Débit Total liaison SDI :(13,5 + 6,75 + 6,75)106 x 10 = 270 Mbits.s-1

On retrouve : 864 x 625 x 10 x 2 x 25 = 270 Mbits.s-1

numrisationlignevido.jpg Structure de la ligne vidéo numérique.

Au niveau de la réception, il est nécessaire de pouvoir retrouver les tops de synchro ligne car ils n’ont pas étaient numérisés.En numérique, les tops de synchro ligne sont remplacés par des signaux TRS (timing reference signal) se trouvant juste avant et après le début de la ligne active.

Il y a deux types de signaux TRS :

SAV : start of active video.
-composé d’éléments contenant des infos
-indique le début de la ligne active
-codé avec un mise à 1 deux mise à 0.

EAV : end of active video.
-indique la fin de la ligne active
-composé de la même façon que le SAV
F : indique la trame
V : indique si on est dans la partie des lignes actives ou passives
H : indique si on est en SAV ou EAV

vsaveav.jpg

Convertisseur Audionumérique SIGMA DELTA (∑D) ou convertisseur 1 bit.

Le suréchantillonage ou « oversampling » permet de repousser le phénomène d’aliasing et d’améliorer le rapport signal-bruit (bruit de quantification). Il est possible d’utiliser des filtres à pente douce (moins onéreux) qui n’apportent pas de distorsions.On travaille avec des fréquences de 64 ou 128 fois la fréquence d’échantillonnage.

 sd.jpg Après filtrage on a un convertisseur 1 bit nous donnant le sens de variation (1-0 ; croissant,-décroissant) suivi d’un filtre de décimation convertissant les 128 échantillons quantifiés pour Q=1 (128 ech quantifiés sur un bit) en un seul échantillon Q=24 (échantillon codé sur 24 bits)On gagne ainsi en précision : les 128 données binaires sont converties en 24 données binaires.

96io.jpg La 96 i/o possède des convertisseurs AN Sigma Délta.

DEBIT AUDIO NUMERIQUE :

1 Calculer la quantité totale de données obtenue dans le cas d’un enregistrement audio de 8mn sur un CD, donner le résultat en bits, octets (ou Bytes), kO, et MO. Calculez le débit numérique d’un lecteur CD en en bits/s puis en Kbit/s en Mbit/s.

2 Calculer la capacité d’un CD audio sachant qu’il peut contenir 74mn de musique. Donnez votre résultat en MO.

3 Compte tenu de la capacité du DVD (4,7 Go) et sachant qu’il peut loger 133 minutes de vidéo, retrouvez le débit en Mbits/s ? Rappelez les quatre capacités des DVD simple/double couches, simple/double faces. ?

Concernant les DVD double couches on parle de technologie P.T.P. et  O.T.P. Expliquez en trois lignes.

4 L’interface bi-canale normalisée AES/EBU est conçue pour s’adapter à des signaux audionumériques dont la fréquence d’échantillonnage peut prendre les valeurs de 32 kHz, 44,1 kHz et 48 kHz. Calculez le débit le débit net et le débit brut pour 44,1 kHz et 48 kHz.

Montrer par un calcul de débit que les quatre bits AUX peuvent transporter deux signaux numériques quantifié sur 12 bits, échantillonnés à la fréquence de 16 kHz.

5 L’interface multicanale normalisée MADI est conçue pour s’adapter à des signaux audionumériques de fréquence d’échantillonnage variable. Quel est le débit d’une liaison MADI ?

Quelles sont les fréquences d’échantillonnages possibles ? Rappelez les caractéristiques essentielles de la liaison MADI. Quel est le rôle des 4 bits de contrôle ? Quel est le rôle du codage 4/5 utlisé dans l’interface MADI ?

6 Le réseau EtherSound est un réseau audio numérique basé sur la technologie Ethernet (norme IEEE 802.3) permettant de véhiculer des canaux audio numérisés ainsi que des données de commandes.
Rappelez le nombre de canaux véhiculés dans une liaison EtherSound ? 

Rappelez le nombre de canaux véhiculés dans une liaison EtherSound ? Sachantt que c’est du Fast Ethernet 100Base-T ou FX, calculez le débit brut et le débit net (utile) maximal ?

7  Sur les documents techniques vidéo on trouve pour le DV, le DVCPro25 et le DVCPro50 les débits vidéo suivants : 25 Mbit/s, 25 Mbit/s et 50 Mbit/s.

Retrouvez ces valeurs  sachant que les structures d’échantillonnage sont respectivement en 4 :2 :0,  4 :1 :1 et 4 :2 :2 et que les compressions sont respectivement de 5 :1, 5 :1 et 3,3 :1 ?

Les débits totaux sont de 41,8 Mbit/s, 41,8 Mbit/s et 99 Mbits. Pourquoi sont-ils différents ?

8  Un morceau de musique est enregistré sur un CD audio, sa taille représente 37MO. L’enregistrement sur un MD aurait permis de n’enregistrer que 21MO, calculer le rapport de compression appliqué par l’enregistreur de MD.

CONVERTISSEUR ANALOGIQUE NUMERIQUE :

1 Expliquer ce que montre le théorème de Shannon. Expliquez ce qu’on appelle un « alias ». Lors d’un échantillonnage à la fréquence de 44,1 kHz le filtre anti-aliasing de pente trop douce laisse passer (en l’atténuant) la fréquence de 34,1 kHz. Quelle fréquence parasite risque d’apparaître par la suite ?

2 Déterminer la fréquence d’échantillonnage nécessaire à l’enregistrement d’un signal audio qui a le spectre suivant :

shannon.jpg
3 Calculer le nombre de valeurs que peut prendre un échantillon sur un CD audio. Calculez  le pas du CAN si on considère que le niveau crête est de 0 dBV.  

Sachant que -18 dBfs correspond à un niveau de + 4 dBu, quel sera le niveau correspondant à 0 dBfs ? Calculez alors le pas du CAN si on consière que le niveau crête est à 0 dBfs.

4 Le bruit de quantification à la restitution d’un signal est de 12mV d’amplitude. Calculer son amplitude s’il est atténué de 32dB. Calculer le rapport signal sur bruit dans ce cas si le niveau du signal audio est de 0dBU.

 5 Rappelez  le rôle de suréchantillonnage. Expliquez dans les grandes lignes le principe de fonctionnement des convertisseurs delta-sigma – principe de la conversion multi bit sur 1 bit -

6 Expliquez les caractéristiques suivantes lues sur les entrées analogiques de la console Yamaha DM2000 : convertisseur A/N linéaire à 24 bits avec suréchantillonnage à 128 fois.

Sur cette même doc, on lit : « traitement numérique interne du signal de la console : 32 bits » Expliquez ?

CODES DETECTEURS ET CORRECTEURS D’ERREURS : expliquez succinctement le principe des codes suivants avec un exemple d’utilisation :

Le code de contrôle par redondance cyclique (CRCC) .                                                             

Le code de Hamming.                                                                                                                

Le code croisé par entrelacement. (CIC = Cross Interleave Code) .                                                            

Le code Reed Solomon  (CIRC = Cross Interleave Reed Solomon Code)

Un code de contrôle par redondance cyclique (CRCC) a pour polynôme de contrôle  x5 + x4 + x2+ 1.  Déterminez le message réellement transmis – séquence de données plus séquence de contrôle – lorsque le message initale est « 1000100101 ». Le contrôle CRCC est très efficace pour la détection d’erreurs, une seule exception existe cependant pour laquelle le CRCC ne détecte pas l’erreur, laquelle ?

CODES DE VOIE : donnez les caractéristiques des codes de voies suivants : NRZI, Biphase-mark…

Chris luck ©

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