Contexte
Il est utile de commencer par rassembler quelques informations de fond. Le "Direct Stream Digital" est une désignation créée par Philips et Sony, lancée en 1999 lors de l'introduction du Super Audio CD (SACD). Le SACD surpasse un CD conventionnel en termes de qualité sonore, de capacité de stockage et de capacité multicanal, et a été initialement conçu comme son successeur pour le grand public. Alors que l'encodage du CD utilise la méthode PCM que nous connaissons déjà, le principe de stockage sous-jacent au SACD est basé sur ce que l'on appelle la "modulation delta-sigma". L'abréviation correspondante n'a jamais vraiment réussi à s'imposer, contrairement à PCM ; au lieu de cela, on parle généralement de DSD, et nous allons faire de même ici, bien que nous examinions de plus près le processus de stockage basé sur la "modulation delta-sigma". En fin de compte, le DSD et le SACD n'occupent qu'une petite niche sur le marché de la hi-fi et des supports sonores. Néanmoins, la technologie existe et est toujours considérée comme un format de stockage alternatif au PCM. Il n'est donc pas surprenant que la tendance actuelle aux fichiers musicaux haute résolution pour le consommateur final ramène également sur le devant de la scène les défenseurs de l'encodage DSD.
Échantillonnage et stockage
Bien que le PCM et le DSD soient des méthodes et des formats différents pour le stockage numérique d'informations musicales, il existe un – ou plutôt deux – dénominateurs communs. Notre analyse se basera sur cela, car nous pouvons en même temps récapituler brièvement la méthode PCM et mieux comprendre le DSD par une comparaison directe. Notre objectif reste d'analyser un signal analogique qui varie en spectre de fréquence et en amplitude au fil du temps, et de stocker une représentation numérique. Pour cela, dans l'article précédent sur la méthode PCM, nous avons défini une horloge régulière ainsi qu'une grille de valeurs à l'aide desquelles nous pouvions exprimer les changements d'amplitude de notre signal à chaque instant d'échantillonnage dans un certain nombre d'états possibles. Dans l'encodage DSD aussi, tout tourne autour de ces deux termes. En fait, il se passe presque exactement la même chose, mais seulement presque.
Cette fois-ci, nous choisissons un taux d'échantillonnage extrêmement élevé de 2,8224 MHz, soit 2 822 400 analyses de notre signal par seconde. Pour rappel : lors de notre numérisation basée sur le PCM en "qualité CD", il n'y avait que 44 100 échantillons par seconde, ce qui correspond à seulement 0,0441 MHz. Nous laissons cette différence non négligeable de côté pour l'instant et nous nous penchons plutôt sur la profondeur de bits. Contrairement à la méthode PCM, où les changements de signal pouvaient être représentés en 65 536 états possibles (16 bits) ou en 16 777 216 états possibles (24 bits), il n'y a soudainement que deux états (1 bit) en DSD, ce qui fait qu'on parle souvent de "technologie 1 bit". Si un taux d'échantillonnage élevé ne nous rendrait peut-être pas encore sceptiques, il faut inévitablement se demander, avec nos connaissances préalables et compte tenu de la faible profondeur de bits : comment deux états peuvent-ils suffire à représenter le déroulement dynamique complexe d'un signal musical ?
La clé de cette question réside dans le rôle que joue le bit unique dans ce cas. Ainsi, le tracé de l'amplitude n'est pas approximativement représenté, comme dans la méthode PCM, dans les états possibles, dont le nombre varie en fonction de la largeur de mot choisie, mais par la fréquence à laquelle le bit unique dont nous disposons change d'état. Cette fréquence varie selon la règle suivante : une amplitude élevée correspond à peu de changements d'état, tandis qu'une amplitude faible entraîne de fréquents changements d'état. Pour les deux cas extrêmes d'une amplitude maximale constante ou d'une absence d'amplitude constante, cela signifierait respectivement aucun changement ou des changements constants de nos deux états au rythme de notre fréquence d'échantillonnage. Sur la base de ce flux de changements d'état, qui, en raison de la fréquence d'horloge élevée, contient même les plus petites modifications du signal, une image numérique de notre signal original peut ainsi également être créée et stockée.
Conséquences – Dynamique, erreurs, filtres
Tous les aspects de la section à venir nous ont également été présentés dans l'article sur le codage PCM. Grâce au travail préparatoire effectué là-bas, nous pouvons comprendre les affirmations suivantes sur le DSD relativement facilement. Côté entrée, nous n'avons pas besoin de filtre anti-aliasing, car la fréquence d'échantillonnage est si élevée que même après une division par deux (théorème d'échantillonnage de Nyquist-Shannon), aucun signal audio ne dépassera la fréquence limite supérieure de 1,4112 MHz. Une influence possible du signal par un filtre est donc exclue à ce stade, ce qui est définitivement un avantage. Lors de la reconversion, la situation est différente ; ici, un filtre est également nécessaire pour les données DSD afin d'éliminer les composantes de signal haute fréquence. Nous y reviendrons, mais nous nous tournons d'abord vers d'autres propriétés de notre signal. Il y a par exemple le niveau de bruit habituel pour le DSD et – comparé à un signal PCM de 16 ou 24 bits – très élevé. Principalement dû aux erreurs de quantification résultant de la faible profondeur de bits, cela affecte naturellement négativement le rapport signal/bruit, c'est-à-dire la plage dynamique de notre signal. Les algorithmes de "noise-shaping" y remédient en déplaçant le problème au-delà du seuil d'audition humain dans la gamme des ultrasons. Ce procédé nous est également déjà connu et il est indispensable dans le cas du DSD. Ce n'est qu'ainsi qu'une plage dynamique d'environ 120 dB est obtenue sur une plage de 20 Hz à 20 KHz. Au-dessus, le niveau de bruit augmente rapidement et la plage dynamique pour les fréquences de la psychoacoustique, qui, en raison du taux d'échantillonnage élevé, peuvent théoriquement être présentes dans le signal numérique, est nettement inférieure à 120 dB. À 35 KHz, la plage dynamique est encore d'environ 96 dB, soit le niveau du CD. Les fréquences supérieures devraient déjà sonner très fort pour pouvoir encore exercer leur influence – certes psychoacoustique. La limite supérieure de 100 KHz du DSD, qui sonne de manière impressionnante, est tout simplement oubliée compte tenu de ce fait.
PCM vs. DSD
Après avoir rassemblé les données et faits les plus importants concernant la méthode DSD, nous pouvons maintenant oser une comparaison. Commençons par les supports physiques, un CD (PCM, 44,1 KHz et 16 bits) et un SACD (DSD, 2,8224 MHz, 1 bit). Sans trop réfléchir, nous constatons que le SACD est supérieur tant en termes de dynamique que de représentation de fréquence.
Représentation de fréquence :
35 KHz et plus // DSD
22,05 KHz // PCM
Plage dynamique :
120 dB (inférieure au-dessus de 20 KHz, voir ci-dessus) // DSD
96 dB // PCM
Passons maintenant au domaine non-physique et comparons un fichier DSD à un fichier PCM de 88,2 KHz et 24 bits. La situation est alors différente :
Représentation de fréquence :
35 KHz et plus // DSD
44,1 KHz // PCM
Plage dynamique :
120 dB (inférieure au-dessus de 20 KHz, voir ci-dessus) // DSD
144 dB // PCM
Bien entendu, il est également possible en DSD de doubler, voire de quadrupler la fréquence d'échantillonnage. Le bruit de quantification problématique peut alors être déplacé vers des gammes de fréquences encore plus élevées, ce qui profite à la dynamique et à la représentation des fréquences. Ce jeu peut en principe être poussé à l'absurde avec les deux formats, car les possibilités techniques existent désormais. Mais au lieu de recourir à un autre exemple, nous préférons nous rappeler qu'à un moment donné de notre vie, nous avons pu entendre, au mieux, des fréquences allant jusqu'à 20 KHz. Et même les étendues infinies de la psychoacoustique trouvent une fin abrupte lorsque les microphones les plus performants atteignent leurs limites au plus tard entre 30 et 40 KHz lors de l'enregistrement. D'un point de vue physique, les hautes résolutions n'ont donc de sens que jusqu'à un certain point et notamment pendant la production. Leur utilité, il faut le souligner encore une fois ici, réside en grande partie dans le fait que les problèmes inhérents au processus de numérisation – qu'il s'agisse d'effets d'aliasing, d'influences d'un filtre ou de bruit de quantification – sont évités dans la mesure du possible et que les erreurs qui en résultent n'affectent pas la gamme de fréquences musicalement pertinente, mais peuvent être déplacées vers des gammes de fréquences plus élevées en cas de doute. Cela s'applique aussi bien au DSD qu'au PCM, et le filtre de sortie déjà mentionné n'est donc dans les deux cas qu'une conséquence logique, car les composantes de bruit haute fréquence du signal sont indésirables lors de l'amplification ou de la reproduction par les haut-parleurs.
Réflexions finales
Outre la comparaison des chiffres bruts, qui est finalement toujours remportée par le format qui vient d'être doublé en résolution, il y a un autre aspect que nous ne voulons pas négliger. Dans ce cas, il ne s'agit pas de comparaisons d'écoute subjectives, chacun doit se forger sa propre opinion. Il s'agit plutôt de la réalité technique et, à cet égard, le DSD occupe en fait une niche. Bien qu'il existe des convertisseurs qui fonctionnent exactement selon la norme DSD et convertissent systématiquement au format correspondant, ceux-ci sont rares. En conséquence, le DSD "pur", de la conversion A/N à la conversion N/A, est extrêmement rare. On pourrait imaginer une ancienne bande master d'un enregistrement entièrement analogique, numérisée avec un tel convertisseur, stockée puis reconvertie et lue en conséquence. En règle générale, on peut cependant supposer qu'à un moment donné entre l'enregistrement, la production et la lecture, une ou plusieurs conversions au format PCM ont eu lieu, même si un SACD ou un fichier DSD est finalement présent. L'importance de cela, la question de savoir si une conversion DSD finale fait la différence décisive ou si, en fin de compte, ce n'est peut-être pas le format, mais le choix des composants et leur finesse technique qui comptent vraiment, continuera probablement à être vivement débattue.
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