Influence du système de codage numérique de l’information

L’aire d’audition humaine est comprise entre le seuil d’audition, qui varie entre 0 et 40 dB selon la fréquence, et le seuil de la douleur, situé aux alentours de 120 dB. Dans le domaine fréquentiel, la sensibilité de l’oreille s’étend entre 16 Hz et 20 kHz.

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2.3.3.1. Haute fidélité

Pour couvrir entièrement cette aire d’audition dans le domaine numérique et obtenir une haute fidélité de restitution, les convertisseurs analogiques numériques exploitent des systèmes de codage de type Pulse Code Modulation (PCM). Le signal est échantillonné à une fréquence de 48 kHz pour les systèmes d’enregistrement professionnels comme le Digital Audio Stationery Head (DASH) ou le Digital Audio Tape (DAT), de 44,1 kHz pour le Compact Disc (CD) et 32 kHz pour le Digital

Audio Broadcasting (DAB), ce qui assure une bande passante du signal d’au moins 16 kHz.

Les convertisseurs analogiques numériques professionnels quantifient les échantillons sur 24 bits, ce qui correspond à une résolution de 16'777'216 niveaux (224_{) et représente un rapport signal}

sur distorsion de quantification de l’ordre de 140 dB. Pour les convertisseurs haute fidélité grand public le codage est généralement réalisé sur 16 bits, ce qui correspond à une résolution de 65'536 niveaux (216_{) et à un rapport signal sur bruit de l’ordre de 93 dB. Le DAB se contente d’une}

résolution non uniforme sur 12 bits. L’obtention de telles qualités sonores nécessite un débit binaire compris entre384 kbits s-1 _{(12 bits * 32 kHz) et 1152 kbits s}-1 _{(24 bits * 48 kHz) par canal.}

2.3.3.2. Réseau téléphonique public commuté (RTPC)

Les systèmes de codage développés pour la téléphonie permettent une forte réduction du débit binaire de l’information, mais impliquent une perte de qualité perceptible (Figure II.3.).

A

B

Figure II.3. Extrait d’un centième de seconde du phonème /i/ signal vocal /ski/ : A. 16 bits-44.1 kHz B. 8 bits- 8 kHz

Pour le réseau téléphonique public commuté (RTCP), Public Switched Telephone Network (PSTN), la première norme de codage numérique a été recommandée en 1972 par l’ITU-T (International Telephone Union - Telephony division). Baptisée G.711, elle est basée sur l’algorithme PCM ; le signal est numérisé avec une fréquence d’échantillonnage de 8 kHz et quantifié de manière non uniforme sur 8 bits, selon la loi A en Europe et la loi µ aux États-Unis, dont les qualités sont équivalentes. Ce débit binaire de 64 kbits s-1 _{assure une bande passante de 300 à}

3400 Hz. Les normes G.721 et G.726, définies en 1984 et 1990, sont basées sur l’algorithme Adaptive

l’échantillon, mais seulement la différence entre l’amplitude et une valeur prédite par un filtrage de type adaptatif, ce qui permet une réduction du débit binaire à 32 kbits s-1 _{(G.721) ou un débit}

variable de 40, 32, 24 et 16 kbits s-1 _{(G.726). En 1991, l’ITU-T a sélectionné un système de codage à}

16 kbits s-1 _{(G.728), basé sur une technique hybride de modélisation et de quantification}

vectorielle 7_{, l’algorithme Low-Delay Code Excited Linear Prediction Coder (LD-CELP), qui présente un}

faible délai de reconstruction, propriété particulièrement importante pour un échange téléphonique (Tableau II.1.).

Le standard G.729, défini par l’ITU-T pour le système de codage à 8 kbits s- 1 _{est un}

compromis entre l’algorithme Algebraic Code Excited Linear Prediction Coder (ACELP) présenté par l’Université de Sherbrooke au Canada en association avec France Telecom et l’algorithme Conjugate

Structure Code Excited Linear Prediction Coder, proposé par Nippon Telephone & Telegraph (NTT) au

Japon [KONDOZ, 1994 ; DRYGAJLO, 1999].

2.3.3.3. Réseau téléphonique cellulaire

En Europe, la norme Global System for Mobile communication (GSM) a été définie en 1989 et la norme Cellular Telecommunication Industry Association (CTIA) IS-54 a été définie pour l’Amérique du Nord en 1990. La première génération de systèmes de codage (Full Rate) fait appel à des techniques d’accès multiples par division de temps (TDMA) et à un codeur de source à 13 kbits s-1 _Regular

Pulse Excitation - Long Term Prediction (RPE-LTP) pour l’Europe et Vector Sum Excited Linear Prediction (VSELP) à 8 kbits s-1 _{pour l’Amérique du Nord. Tous les débits mentionnés font référence}

au codage de source ; le codage du canal utilise approximativement le même débit, ce qui porte le débit total à 22,8 kbits s-1 _{pour le GSM. Cette première génération ne permet qu’une multiplication}

par trois environ des capacités de ce réseau par rapport au réseau analogique. Pour permettre une multiplication par dix ou plus, l’European Telecommunication Standard Institute (ETSI) en Europe et la CTIA en Amérique du Nord choisissent actuellement les standards de la deuxième génération. Le nouveau système de codage GSM Half Rate (HR) est basé sur un algorithme de type Code Excited

Linear Prediction Coder (CELP), de débit binaire de 5,6 kbits s-1_{, alors que le système GSM Enhanced}

Full Rate (EFR) est basé sur un algorithme de type CELP, de débit binaire de 12,2 kbits s-1_.

Les systèmes de communication mobile de troisième génération, dont le débit devrait atteindre plusieurs Mbits par seconde, Universal Mobile Transmission System (UMTS) en Europe et

Future Public Land Mobile Telecommunication System (FPLMTS) en Amérique du Nord, devraient être

basés sur les techniques d’accès multiples par division de code (CDMA). Cette technique permettrait, entre autres avantages, une réalisation naturelle du débit variable. La CTIA a d’ailleurs standardisé l’algorithme Qualcomm Code Excited Linear Prediction Coder (QCELP) de la société Qualcomm® _{(IS-95), qui sélectionne dynamiquement toutes les 20 ms un débit de 8, 4, 2 ou}

1 kbits s-1 _{; le débit moyen est de l’ordre de 4 kbits s}-1 _{[KONDOZ, 1994 ; DRYGAJLO, 1999] (Tableau}

II.1.).

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2.3.3.4. Communications sécurisées et communications par satellite

Pour les réseaux de communication par satellite, les communications militaires comme celles de l’Organisation du Traité de l’Atlantique Nord (OTAN) et les communications intergouvernementales sécurisées, les débits binaires sont encore plus faibles. Le choix du maintien de l’intelligibilité se fait au détriment des caractéristiques dépendantes du locuteur, ce qui n’est pas sans poser certaines questions sur l’identification des interlocuteurs. Le système de codage exploité par le réseau satellitaire INMARSAT (International Maritime Satellite) est basé sur l’algorithme Multi- Band Excitation (MBE), dont le débit binaire est de 16 kbits s-1_{. Les communications militaires de}

l’armée des États-Unis, de l’OTAN et de l’Armée Suisse utilisent un système de codage FS-1016, standardisé par le département de la Défense des États-Unis (USDoD) et basé sur un algorithme CELP à 4,8 kbits s-1 _{[KONDOZ, 1994 ; DRYGAJLO, 1999] (Tableau II.1.).}

Type de réseau Standard de co- dage numérique Taux de trans- fert (kbits s -1₎

Système de codage MOS DRT DAM

Téléphonique commuté

G.711 (1ère _{génération)}

64 Pulse Code Modulation (PCM) 4,3 95 73

Téléphonique commuté

G.721 (2ème _{génération)}

32 Adaptive Differential Pulse Code

Modulation (ADPCM) _{4,1 94 68}

Téléphonique commuté

G.726 (2ème _{génération)}

16 - 40 Code Excited Linear Predictive

Coder (CELP) - - - Téléphonique commuté G.728 (3ème _{génération)}

16 Code Excited Linear Predictive Coder (CELP) 4,0 94 70 Téléphonique satellitaire INMARSAT Standard B

16 Muti-Band Excitation (MBE) - - -

Téléphonique cellulaire

(Europe)

GSM (1ère _{génération)}

13 Regular Pulse Excitation - Long Term Prediction (RPE-LTP)

- - - Téléphonique cellulaire (USA) CTIA IS-54 (1ère _{génération)}

8 Vector Sum Excited Linear Prediction (VSELP) 3,7 93 68 Téléphonique cellulaire (Europe) GSM Enhanced Full Rate (EFR) (2ème _{génération)}

12,2 Code Excited Linear Predictive Coder (CELP) - - - Téléphonique cellulaire (Europe) GSM Half Rate (HR) (2ème _{génération)}

5,6 Code Excited Linear Predictive Coder (CELP)

- - -

Militaire DOD-CELP

(FS 1016)

4,8 Code Excited Linear Predictive Coder (CELP)

3,0 93 67

Militaire LPC-10

(FS 1015)

2,4 Linear Prediction Coder (LPC) 8 _{2,5 90 54}

Tableau II.1. Comparaison de la qualité du signal transmis par plusieurs systèmes de codage [JAYANT, 1992 ;

KONDOZ, 1994]