19. La carte son.

19.1. Echantillonnage - 19.2. Enregistrement et production audio - 19.3. Table d'onde et son midi - 19.4. DSP - 19.5. Son 3D - 19.6. Connecteurs - 19.7. Impédance, codec

Le son (musique, parole, ...) se propage sous forme d'ondes dans l'air. Pour le convertir en numérique (acquisition), une carte son utilise un convertisseur analogique-numérique (A/N ou ADC en anglais). Pour reproduire le son, un convertisseur numérique-analogique (N/A ou DAC en anglais) transforme les valeurs numériques de la carte audio en analogiques pour produire du son. 

19.1. L'échantillonnage.

La conversion analogique-numérique, appelée échantillonnage, peut produire des erreurs. La qualité du signal numérisé dépend d'abord de la fréquence d'échantillonnage (le nombre de fois que l'onde sonore est découpée par seconde pour obtenir une suite de valeurs numériques). La norme CD-audio utilise une fréquence de 44,1 KHz. Chaque bit du signal est sur 16 bits, soit 65.000 valeurs différentes (précision de l'échantillonnage). L'oreille humaine d'un adulte est limitée aux à l'entours de 22,1 Khz. Le DAT améliore la qualité avec une fréquence d'échantillonnage du son sur 48 KHz.

Plus le nombre de bits utilisé pour chaque découpage du son est important, meilleure sera la qualité du son enregistré. Les cartes son travaillent généralement sur 16 bits, mais des cartes plus précises codent sur 24 bits et même sur 32 bits. La qualité d'une carte audio dépend aussi de 2 paramètres supplémentaires:

• le taux de distorsion est le pourcentage d'erreur du signal sonore et doit être inférieur à 0.005 %.
• le rapport signal/bruit mesure le rapport entre le signal sonore et le bruit de fond. Il doit être supérieur à 90 décibels. 

19.2. Enregistrement et production du son

Une carte audio doit pouvoir enregistrer et lire des sons en même temps: c'est le Full Duplex, indispensable par exemple en téléphonie sur Internet (VoIP) et autres applications multimédia. Dans les cartes de haut de gamme, il est implanté en hardware, les autres utilisent un système logiciel. Cette fonction hardware est par exemple utilisée par les musiciens pour mélanger différentes sources audio et directement les réenregistrer sur le disque dur, c'est ce qu'on appelle le Direct-to-disk.

Deux types de signaux sonores sont utilisés en informatique: le WAV et le MIDI. Quelques shareware permettent de transposer l'un vers l'autre.

• Le format WAV n'est pas compressé. Ceci entraîne un fichier de 172 KB pour 1 secondes enregistrées en 44,1 Khz - 16 bits stéréos (le format CD-Audio), soit 31 MB pour un enregistrement de 3 minutes. Toutes les cartes sont capables de reproduire et d'enregistrer avec ce format en qualité CD.
• La norme midi n'enregistre directement les sons, mais les paramètres qui servent à le générer. Ceci permet d'abord de modifier le son, une ou plusieurs notes, d'un instrument sans réenregistrer l'entièreté du morceau. En plus, il est compressé, la taille du fichier musical de 3 minutes descend à quelques KB.

La reproduction de sons au format WAV a longtemps utilisé comme méthode la synthèse FM (modulation de fréquence), mais le résultat était médiocre, en plus d'utiliser les ressources du processeur au maximum. Les processeurs MMX implantaient des commandes en assembleur spécialisées qui réduisait l'utilisation du processeur de 30 %, mais sans amélioration de la reproduction sonore.

Aujourd'hui la majorité des cartes audio utilisent la synthèse par tables d'échantillons sonores ou WAVE TABLE. Avec ce procédé, les sons numérisés peuvent être stockés dans une mémoire spécifique, puis rejoués et modifiés en sollicitant peu le processeur. La table d'onde doit être compatible avec la norme générale MIDI (128 instruments). Creative Labs a adopté cette technologie à partir des SB32 permettant de jouer 32 instruments simultanément. Les cartes suivantes sont passées à 64, 128 instruments simultanés.

Les cartes actuelles de haut de gamme utilisent des DSP. Ce sont des microcontrôleurs spécialisés dans le traitement numérique de signaux analogiques.

Les cartes sons sont caractérisés par le nombre d'instruments qu'ils peuvent reproduire simultanément en MIDI, c'est la polyphonie. 

19.3. Table d'onde et son midi

Le standard MIDI (Musical Instrument Digital Interface) permet aux instruments musicaux de transférer des signaux numériques entre eux. La première méthode utilisée en audio informatique est la table d'onde (Wave tables), compatible avec la norme General Midi, qui permet de gérer 128 instruments différents, soit quasiment tous les instruments standards, chacun défini par un numéro propre.

La table d'onde reprend en mémoire des sons en fonction du numéro d'instrument et du signal digital reçu de de l'ordinateur.  Plus le nombre d'échantillons présent dans la table est élevée, meilleure sera la qualité du signal de sortie. Ces bancs peuvent être stockés en mémoire morte (Rom). Mais dans ce cas le banc ne peut pas être modifiée. Sur une mémoire vive (Ram) embarquée, elle peut être remplacée à partir de l'ordinateur. Elle peut aussi être stockée sur la mémoire vive de l'ordinateur mais au détriment des performances générales. Généralement, toutes les notes de musiques de chaque instruments (128 en General Midi) ne sont pas digitalisées, seul la note "la" est digitalisée par octave, les autres notes de musique venant d'extrapolation.

19.4. LES DSP

Les cartes son actuelle utilisent plutôt un microprocesseur spécialisé qui utilise un principe similaire, mais plus complet que la table d'onde: le DSP (Digital Signal Processor). En fonction du signal numérique d'entrée, il va rechercher dans une mémoire ROM le signal analogique correspondant. Jusque là peu d'évolution, à part la vitesse de traitement qui permet d'échantillonner (et donc de reproduire) plus d'instruments simultanément. 

L'autre grosse évolution est liée à la mémoire RAM ajoutée au microcontrôleur qui permet de charger des sons et instruments supplémentaires, ou même modifier ceux déjà présent en mémoire ROM.

Le DSP intègre généralement dans un seul circuit électronique le microcontrôleur, la Ram et la ROM. Certaines cartes son permettent également de rajouter de la mémoire. Sur les cartes actuelles haut de gamme, le DSP peut même être entièrement reprogrammé, permettant de créer de nouveaux sons ou modifier ceux déjà enregistrés.

19.5. LE SON 3D

En jeux, on parle de "spatialisation" des sons. Cet fonction permet de positionner un son dans l'espace ou de donner l'impression qu'un objet se déplace. Si au départ chaque constructeur a développé ses propres fonctions, tous se basent maintenant sur la norme DirectX (Direct Sound 3D), une API de Microsoft directement implantée dans Windows. Ces effets s'utilisent avec une simple paire d'haut-parleurs mais est nettement plus réaliste avec un minimum de 4.

Creative Labs a développé un environnement complet appelé Environnemental Audio Extension (abréviation EAX) qui permet de gérer des effets sonores numériques en temps réels. Les versions 1 et 2 sont intégrées dans toutes les cartes audio actuelles (y compris les simples AC'97 implantées sur les cartes mères) et gèrent 8 voies simultanément. Creative LaB implante les versions 3 et 4 dans sa gamme Audigy qui utilise un circuit électronique spécifique. L''Eax5 utilise un DSP dédié (X-FI) et gère 128 voies différentes. D'anciennes cartes utilisaient une API disparue développée Aureal Audio (la norme A3D), avec des caractéristiques identiques, rachetée en 2000 par Creative Labs.

L'environnement sonore peut même être modifié en fonction de l'ambiance du jeu (environnement sourd, résonance des sons dans la pièce, ...).

19.6. Les connecteurs

Les cartes son s'insèrent dans un bus ISA (anciens modèles ) ou dans un bus PCI, mais sont actuellement directement intégrées sur la carte mère de l'ordinateur.

Les connecteurs internes regroupent généralement une entrée ligne (chaîne stéréo), une entrée micro, une entrée joystick pour les anciens modèles et une sortie haut-parleur. Sur certaines cartes, un pontage sur la carte permet d'utiliser cette sortie haut-parleur comme sortie ligne (tension de sortie plus faible). Actuellement, la majorité des cartes n'ont plus d'entrées ligne, remplacée par une deuxième sortie haut-parleur (effets 3D). Signalons que la sortie joystick est souvent utilisée comme entrée / sortie midi via un adaptateur fourni ou non. Les dernières cartes permettent jusque 6 connecteur mini-jack complètement paramétrables.

Une description de tous les connecteurs audio

19.7. Impédance, codec, ...

19.7.1. Les améliorations du son.

Certains appareils, y compris les cartes son de haut de gamme sont compatibles Dolby stéréo. Ce système permet une meilleure reproduction de la musique.

19.7.2. Tension et impédance.

Chaque canal d'entrée et  de sortie est caractérisée par une tension maximum et une impédance (résistance interne de la source de courant) qui limite le courant de sortie. Les entrées / sorties CD et line sont identiques sur un ampli audio ou une table de mixage et standardisées à 250 mV, ils sont donc interchangeables. Par contre, une platine vinyle utilise une entrée dédiée de forte impédance et de faible tension. L'enregistrement des disques vinyles sur ordinateur nécessite un  ampli correcteur (entrée platine) ou par une table de mixage DJ avec une entrée spéciale. Quelques modèles de platines vinyles se raccordent directement en USB et intègre des corrections du signal.

19.7.3. Les codec.

Le CODEC est un mécanisme logiciel ou matériel qui permet de coder le son ou la vidéo. Il est spécifique à chaque modèle de carte son, intégré dans le pilote et comprend notamment des méthodes de compression. 

En CODEC hardware (matériel), c'est un circuit électronique spécialisé qui gère la compression mais celui-ci peut également effectuer d'autres traitements comme la transformation en dolby ou même la suppression des "craillements" et autres bruits typiques des disques vinyles.

La majorité des cartes son standards utilisent le CODEC audio AC'97. Par contre, les cartes audio de haute gamme utilisent leur propre version, interdisant par exemple d'écouter un fichier WAV sur une carte standard s'il est enregistré sur une carte de haut de gamme.

19.7.4. Normes supplémentaires.

Différentes normes sont développées pour la spatialisation et la reproduction des sons, notamment pour les jeux.

Les normes 5.1, 6.1 et 7.1 définissent le nombre de canaux (5 pour un 5.1, 6 pour un 6.1, ...) que la carte est capable de reproduire. Dans le cas d'un 5.1, on retrouve un canal de basse général, 1 canal gauche et un canal droit, et deux canaux pour les cotés. La norme 6.1 reprend en plus un canal arrière (deux pour la 7.1.). Ces normes ne se basent donc pas sur la qualité de reproduction mais sur le nombre de canaux que la carte est capable de reproduire.

19.8. Pour conclure.

Les cartes mères actuelles incluent une carte son qui utilise le plus souvent le CODEC hardware AC'97. Celui-ci gère uniquement le transfert analogique / digital. C'est le processeur de l'ordinateur qui s'occupe des effets sonores additionnels. Elles sont suffisantes pour la majorité des utilisateurs, y compris pour les joueurs. Seuls les musiciens et la création d'applications multimédia complexes, voire les plus acharnés des "Gamers" s'intéresseront aux cartes sons de haut de gamme, notamment lié au midi, au traitement sonore par un DSP spécialisé, connecteurs digitaux, ...