PCM

La méthode de numérisation PCM d’un signal analogique est réalisée en 3 étapes. 

La première est l’échantillonnage. 

Elle consiste à mesurer la tension du signal analogique à intervalle de temps réguliers. La fréquence d’échantillonnage correspond au nombre de mesures effectué par seconde exprimée en Hertz (Hz). Un signal électrique audio analogique est une onde sinusoïdale semblable (analogue) à l’onde sonore. Les mesures des échantillons donnent des tensions électriques positives et négatives (1 V ou -0,5 V par ex.) Les fréquences sonores perceptibles par l’oreille humaine vont de 20 à 20 000 Hz. Le théorème de Nyquist-Shannon indique que la fréquence d’échantillonnage doit valoir au minimum le double de la fréquence du signal analogique pour pouvoir être correctement reconstruite lors du décodage. La bande passante audio allant de 20 à 20 000 Hz, la fréquence d’échantillonnage doit au minimum être le double de 20 000 Hz. La fréquence d’échantillonnage d’un CD est de 44 100 Hz. La fréquence d’échantillonnage utilisée en studio est de 96 kHz voire 192 kHz. Plus la fréquence d’échantillonnage est élevée, plus la représentation de l’onde analogique est précise. 

La deuxième étape est la quantification. 

Cette étape consiste à faire correspondre la valeur mesurée au plus proche d’une valeur fixe dans une table de valeurs possibles imposées par la résolution. Par exemple, si la valeur mesurée est 0,8557 V et que dans les valeurs possibles se trouvent 0,85 V et 0,86 V, la valeur quantifiée sera 0,86 V. La quantification ne peut donc rendre pleinement compte de la valeur mesurée. Les valeurs fixes sont celles possibles en fonction de la résolution ou autrement dit, du nombre de bits d’un échantillon. 

Avec 1 bit, on peut avoir 2 valeurs possibles : 0 ou 1. 

Avec 2 bits, on peut avoir 4 valeurs possibles : 00 ou 01 ou 10 ou 11. 

On a alors 2 valeurs possible exposant n bit : 2n. Avec 1 et 2 bits, 21 = 2 valeurs possibles et 22 = 4 valeurs possibles. 

Pour un CD encodé en 16 bits, on a 216 = 65 536 valeurs possibles. 

Pour un Blu-ray en 24 bits, on a 224 = 16 777 216 valeurs possibles. 

Donc plus la résolution est élevée et plus la valeur fixe est proche de la valeur mesurée. 

La dernière étape est le codage. 

Cette étape code la valeur possible en un nombre binaire unique constitué de 0 et de 1. Il existe différents types de codage. 

Reconstruction. 

Le transfert des données, entre une source numérique (un lecteur CD ou réseau par ex.) vers un convertisseur numérique analogique (DAC), est normalisé avec le protocole PCM. 

• Des blocs audio se succèdent de manière linéaire. 
• Chaque bloc audio est constitué de 192 trames 
• Et chaque trame contient 2 mots A et B de 32 bits chacun. 

Dans le signal audionumérique stéréo, le mot A correspond au canal de gauche et le mot B est affecté au canal de droite. 

Chaque mot constitue également une impulsion du signal d’horloge : le « word clock » permettant la synchronisation du traitement du signal. 

Les 32 bits sont utilisés comme suit. 

• Bits 0 à 3 : ces 4 premiers bits forment le préambule et indiquent le début du mot en déterminant s’il correspond au canal A ou B tout en donnant le top de synchronisation de l’horloge. 
• Bits 4 à 7 : ces 4 bits sont libres pour des informations auxiliaires ou étendre la résolution des bits du son de 20 à 24 bits. 
• Bits 8 à 27 : ce sont les 20 bits du son. Pour les CD dont la résolution est de 16 bits, les bits 8 à 11 sont mis à la valeur 0. C’est pour cela que les bits du son débutent toujours par les bits de poids faible. 
• Bit 28 : c’est le bit de validité. Il est mis à la valeur 0 si les bits du son (bits 8 à 27) sont corrects pour être convertis par le DAC. Si la valeur est 1, le DAC coupera le son pour les 20 ou 24 bits qui le précèdent en l’absence de correction d’erreurs. 
• Bit 29 : c’est le bit d’utilisateur. Avec les autres bits 29 des 191 autres trames du bloc, il code les données pour le titre de la chanson, le numéro de piste, sa durée, etc. 
• Bit 30 : c’est le bit de statut du canal. Avec les autres bits 30 des trames d’un bloc, ces 192 bits ou 24 octets délivrent les informations structurelles du signal numérique. 

La valeur du premier bit détermine le format S/PDIF ou AES/EBU. Puis, selon ce statut, les bits 30 codent différemment les informations comme la résolution, la fréquence d’échantillonnage… 

• Bit 31 : ce dernier bit est le bit de parité. Il vaut 0 si la somme des 31 bits précédents est paire et vaut 1 si cette somme est impaire. 

Le récepteur, généralement un DAC, opère la même somme et compare la parité avec ce bit. En cas d’erreur, un mécanisme de correction peut être mis en œuvre.