Les humains ont une capacité étrange à maîtriser et à affiner une technologie avant même que nous la comprenions. Par exemple, après plusieurs générations de conception de pianos, la forme a évolué pour suivre la courbe de bruit rose car elle sonnait mieux aux oreilles humaines exigeantes. Nous n'avons pas compris pourquoi. Nous venons de le faire, et c'était vrai.

Ce sont les merveilles de notre audition qui nous ont donné la possibilité de le faire. Les humains sont des systèmes de capteurs raffinés, dont l'audition fait partie intégrante. Il n'y a pas plus d'oreilles audacieuses que celles d'un musicien, et concevoir un équipement audio moderne pour satisfaire l'oreille d'un musicien peut être particulièrement difficile. Les produits conçus pour les musiciens ont besoin de fonctionnalités et de flexibilité. Par exemple, certains modèles doivent minimiser la distorsion et d'autres doivent déformer un signal à un niveau contrôlé - comme tout guitariste moderne vous le dira.

Conversion analogique-numérique
Toutes les technologies et conceptions audio vivaient dans le domaine analogique pour plusieurs générations de musique et de musiciens. Les instruments étaient de nature mécanique et utilisaient de l'air, une énergie d'excitation frappante ou oscillante pour créer des sons et des notes. Les enregistreurs et les lecteurs étaient également analogiques.

Initialement utilisé pour la voix à faible bande passante, le gramophone utilisait des aiguilles pour vibrer et des guides d'ondes pour diriger et amplifier (figure 1).

Figure 1: Les principes mécaniques seuls ont permis le stockage et la reproduction de la voix et de la musique. Il n'y avait pas non plus d'électricité ou d'électronique pour l'instrumentation. Aussi simple qu'elle était, cette technologie a changé le monde de la musique.

Au fur et à mesure que la technologie progressait, des appareils d'enregistrement et de lecture à large bande passante ont attiré l'oreille du monde de la musique, et ce mariage a changé à jamais la façon dont nous apprécions et apprécions la musique.

L'électronique a encore révolutionné cela. Les premiers amplificateurs à lampes ont permis les premiers instruments et amplificateurs électroniques. Le Theremin (figure 2) a été parmi les premiers instruments électroniques et a utilisé un couplage capacitif à la proximité de la main d'un musicien pour contrôler la hauteur et le volume.

Figure 2: Le Theremin a été parmi les premiers instruments électroniques basés sur la technologie des tubes qui pouvaient également utiliser des tubes pour amplifier le signal en temps réel. (Source: Wikipedia)

La capacité de capturer et de stocker des données analogiques par voie électronique a donné aux musiciens l'industrie de l'enregistrement. Des fils et des bandes magnétiques ont permis de stocker et de rejouer des signaux électrifiés de manière non destructive. Ces capacités ont conduit à la création de lecteurs à moindre coût, de plus petite taille et de plus haute fidélité pour les masses. Il a également donné naissance à de nouvelles générations d'instruments électroniques tels que les claviers et les guitares.

Passons au numérique
Les premiers flux vocaux étaient des signaux à bit unique, à largeur d'impulsion modulée, qui pouvaient être envoyés sur des câbles et être reconnus et déchiffrés par une oreille humaine. Cette forme analogique de signalisation numérique nous a rapidement appris qu'une résolution plus large et des vitesses plus rapides signifiaient des signaux plus clairs. De 4 à 8 bits, puis 16 et maintenant 32 bits de large, les mots numériques peuvent héberger des gammes dynamiques énormes de niveaux de signal.

Le couplage avec des taux d'échantillonnage et de lecture plus rapides signifie qu'un concepteur a un contrôle direct de la plage de fréquences. Une bande passante audio plus large signifie que non seulement les notes primaires peuvent être stockées et reproduites, mais aussi leurs riches harmoniques.

Concevoir pour une réponse en fréquence plus élevée (taux d'échantillonnage plus rapides), des résolutions plus élevées (échantillons de bits plus larges) et une pureté de signal plus élevée (faible distorsion) ne sont que quelques-unes des contraintes uniques auxquelles sont confrontés les ingénieurs. Les égaliseurs, filtres, effets, amplification, mixage et enregistrement ne sont que quelques exemples des besoins audio modernes.

Les A / D et D / A haute vitesse modernes, ainsi que les filtres, amplificateurs et mélangeurs analogiques et numériques ont fait leurs preuves et continuent de se développer et de s'améliorer. Les fabricants d'appareils savent que leurs concurrents sont à l'écoute.

Un exemple moderne d'un convertisseur audio / numérique avec flexibilité et fonctionnalité est le CAN Audio CDM186x / PCM186x-Q1 de Texas Instruments (figure 3). Ceux-ci sont disponibles en versions 2 et 4 canaux et contiennent des niveaux de gain contrôlés par le matériel et le logiciel. L'amplificateur de gain matériel utilise un gain analogique sélectionnable de 20 ou 32 dB à gain fixe adapté à l'interfaçage de microphone.

Figure 3: Les signaux analogiques asymétriques ou différentiels peuvent alimenter le frontal audio A / D universel multicanal PCM186s / PCM186x-Q1 avec DSP interne.

Les fonctions de mixage numérique de l'appareil peuvent accepter jusqu'à huit entrées analogiques et utiliser un processeur DSP interne pour effectuer une détection de croisement zéro et une suppression d'écrêtage. Ils disposent également d'une gamme de niveaux de signaux frontaux allant des niveaux mV à 2.1 Vrms. Les niveaux peuvent alimenter les entrées asymétriques ou un étage différentiel pour une réduction du bruit en mode commun plus élevée.

Une PLL interne génère toutes les fréquences de contrôle et d'échantillonnage pour toutes les fréquences d'échantillonnage de 48 KHz des canaux. Ceci est supérieur à la qualité CD mais inférieur à la plupart des consoles d'enregistrement. Pourtant, la qualité audio de 110 dB, 24 bits le rend approprié pour les frontaux de microphone et de qualité vocale qui n'utilisent que des demandes de fréquence limitées.

Merci pour les MEM
Alors que la technologie audio se couple davantage à la technologie sans fil, les fabricants d'appareils utilisent de nouvelles techniques basées sur les MEM pour aider à concevoir des solutions plus insonorisées contre la présence et les interférences possibles des sources locales de RF.

Des composants tels que les gammes de microphones AKUSTICA AKU24x et AKU44x utilisent la technologie MEMs pour fournir un son haute performance avec une immunité à la radio, RFI et EMI. Offrant des performances de qualité voix HD, les microphones MEM intégrés utilisent un flux de données modulé en densité d'impulsions pour une sortie numérique directe. La construction robuste de la cage de Faraday permet à ces modules de se monter directement à l'intérieur d'un microphone ou sur un PCB pour les appareils portables et portables.

Plus DSP s'il vous plaît
À ce jour, la fonctionnalité DSP combinée a été intégrée dans les frontaux, mais il s'agit normalement de blocs DSP à fonction fixe dédiés qui n'exécutent que des fonctions spécifiques. De nombreux appareils musicaux tels que les claviers ou les pédales d'effets nécessitent une puissance supérieure. Les processeurs DSP programmables et adaptatifs et les composants tels que le processeur audio numérique ADAU145x Sigma DSP d'Analog Devices sont entièrement programmables pour un traitement sonore amélioré. Les membres de la famille de cette partie sont capables de traiter jusqu'à 48 canaux via ses quatre entrées série et ports de sortie avec des échantillons jusqu'à 32 bits à des taux allant jusqu'à 192K-samples / sec.

Les horloges internes dérivent toutes les fréquences critiques à l'aide d'une PLL interne qui minimise le bruit et garantit la précision. Une fonctionnalité autonome peut être implémentée en utilisant un mode d'auto-démarrage à partir d'EEPROM série. Cela permet à la mémoire interne, au processeur principal et aux interfaces série d'être chargées avec du code optimisé et de fonctionner de manière autonome. Vous pouvez également implémenter une fonctionnalité de type périphérique puisque la pièce peut fonctionner comme maître ou esclave sur I²C ou SPI.

Les canaux A / D de 6 à 10 bits utilisent une technique de conversion sigma / delta pour suréchantillonner les microphones locaux ou même effectuer une annulation de bruit. Quatorze broches d'E / S numériques à usage général peuvent être utilisées pour balayer les boutons, piloter les voyants ou l'interface avec d'autres composants numériques.

Le facteur sans fil
Les communications sans fil sont à l'avant-garde de l'avancement de la technologie musicale. Tout musicien ou ingénieur du son moderne vous dira que l'élimination des fils est une bénédiction, tant qu'elle n'interfère pas avec la qualité du son.

Les technologies sans fil à spectre étalé fournissent des liaisons de données fiables, tolérantes au bruit, à haute vitesse et à large bande passante pour les besoins des musiciens. Par exemple, les instruments, les lecteurs et les enregistreurs peuvent envoyer et recevoir des informations audio multicanaux haute fidélité et coexister sans fil à la même proximité.

Le spectre étalé présente également des avantages distincts par rapport aux techniques de signalisation modulées à bande étroite plus anciennes. Premièrement, les concepteurs sont autorisés à utiliser des niveaux de puissance de transmission plus élevés avec un spectre étalé qu'ils ne le peuvent avec une bande étroite. La signalisation à modulation à bande étroite est généralement limitée à 10 µW de puissance, tandis que le spectre étalé peut utiliser jusqu'à 5 W, permettant des distances plus longues et une plus grande fiabilité de la réception du signal.

Le spectre étalé est également plus insensible au bruit. La modulation d'amplitude laisse les signaux sensibles au bruit impulsif comme les étincelles ou les coups de foudre lointains. Par exemple, le changement de fréquence (FSK) et le changement de phase (PSK) sont sensibles aux sources de bruit stables en fréquence telles que les moteurs ou même les lampes fluorescentes.

Des protocoles complexes comme Ack / Nack peuvent demander des retransmissions de paquets qui avaient des interférences pour le réassemblage de flux de données purs, mais cela peut ajouter des retards. Au lieu de cela, les paquets bruyants peuvent être éliminés si des sources de bruit nouvelles et inattendues émergent. Le temps passé dans une même bande peut signifier que les coups de signal en temps réel peuvent être relativement imperceptibles.

Par conséquent, cet échange en temps réel de données de performances souvent en direct et en streaming signifie une faible latence et des retards non perceptibles dans la chaîne de signal. De plus, de nouvelles caractéristiques et fonctions peuvent être ajoutées à l'ancien équipement, lui permettant de faire ce qui n'était pas possible ou faisable dans le passé. Par exemple, un homme du son peut se promener dans un centre de représentation lors d'un concert en direct et régler virtuellement la table de mixage à l'aide d'un appareil portatif sans fil.

Bien que certains protocoles à spectre étalé soient utilisés pour des applications audio pour les masses, ils peuvent ne pas être assez bons pour les besoins des musiciens. Par exemple, la technologie Bluetooth a été largement adoptée et adoptée pour les haut-parleurs sans fil, les écouteurs et les appareils des utilisateurs finaux, mais a une fidélité limitée pour les besoins d'un musicien ou d'un ingénieur du son.

Beaucoup a à voir avec les types d'encodeurs et décodeurs de compression et de décompression (CODEC) qui sont utilisés. Au début, Bluetooth a utilisé le codage de sous-bande à faible complexité (SBC), mais plus récemment, le codec AptX (par CSR) a gagné en acceptation et est présenté comme capable de fournir un son de qualité CD sans perte. Mais cela n'est pas suffisant pour les ingénieurs du son et les musiciens qui souhaitent généralement des taux d'échantillonnage de 192 KHz d'au moins 24 bits de largeur.

Cela signifie que des protocoles propriétaires à spectre étalé ou des protocoles à débit de données plus élevé (comme le Wi-Fi) sont nécessaires, et l'une ou l'autre approche peut être utilisée efficacement.

Contraintes de mise sur le marché
Les protocoles standardisés et établis comme le Wi-Fi sont les meilleurs pour les besoins de mise sur le marché rapide. Le Wi-Fi peut coexister assez bien dans un espace aérien surpeuplé et il existe un certain nombre de modules et d'outils de conception sont facilement disponibles pour aider les concepteurs à se mettre rapidement à jour. Bien que les modules puissent gagner du temps de conception, ils ont un coût légèrement plus élevé. Pourtant, les fabricants de modules s'occupent de toutes les certifications dans le monde entier, et il leur appartient de se tenir au courant des spécifications et du respect des spécificités régionales et mondiales.

L'utilisation de modules n'empêche pas une équipe de conception de concevoir sa propre solution. L'ingénierie simultanée permet de commencer la production par un module tandis que les conceptions internes sont affinées, testées et certifiées. C'est la voie à suivre si les volumes de production l'exigent, mais pour la plupart des petites et moyennes séries, les modules fonctionnent mieux.

LS Research fournit un exemple de module pré-certifié performant avec suffisamment de bande passante et des débits de données suffisamment élevés pour satisfaire la plupart des tâches audio. Le module émetteur-récepteur TiWi5 de LS Research peut transmettre jusqu'à 65 Mbits / s pour un son et un contrôle haut de gamme (figure 4). Le module montable en surface de 1.8 V à 3.6 V ne mesure que 18 mm x 13 mm x 1.7 mm de haut et fonctionne dans les plages 2.4 et 5 GHz prenant en charge les modes 802.11 a / b / g / et n. Les E / S série aident à réduire le nombre de broches d'E / S pour héberger les micros, ce qui réduit les zones de PCB.

figure 4: les modules pré-certifiés tels que le module tiwi5 incluent phy / mac et la gestion des protocoles. Les interfaces série telles que l'uart sont prises en charge par pratiquement tous les microcontrôleurs et microprocesseurs, ce qui simplifie l'interfaçage, le test et le débogage.

Autres itinéraires
la conception de vos propres solutions et protocoles sans fil est idéale pour les productions à haut volume. ici, les moteurs de recherche paramétriques peuvent être un outil utile. Les portails de liaison peuvent également fournir des informations de bonne qualité et à jour.

Il faut également garder à l’esprit les plages de réponse en fréquence. Pour les instruments de musique, cela peut être très important. Par exemple, un bassiste a besoin d'une réponse en fréquence plus faible qu'une flûte. De nombreuses liaisons sans fil, par exemple, commencent à 80 Hz, mais certaines commencent à 10 Hz.

Et si vous avez la bande passante, utilisez-la. Une forme d'onde non compressée sera plus vraie qu'une forme d'onde compressée (figure 5). La plupart n'entendront jamais la différence, mais si votre concurrent fournit un son plus propre que vous, cela peut faire la différence entre un succès ou une panne de produit.

Figure 5: Une forme d'onde non compressée (A) est la plus pure et l'oreille humaine d'un auditeur raffiné peut entendre les distorsions subtiles mais présentes qu'une forme d'onde compressée (B) emporte avec elle. (Source: auteur)

Conclusions
La musique et l'audio prennent de plus en plus d'importance et la technologie moderne répond aux demandes croissantes de l'auditeur raffiné, ainsi que des créateurs de musique. Plusieurs bons fabricants, pièces et outils sont prêts à être sollicités pour des conceptions de nouvelle génération.

Heureusement, un sous-ensemble d'ingénieurs qui se chevauchent sont les musiciens et l'inverse. Il semble que nous trouvons le confort et la créativité dans un domaine structuré et logique. Souvent limité dans le temps, mais libérant quand même.

L'ingénierie du son nécessite une ingénierie du son. L'oreille humaine peut distinguer entre 1% et 1% des tolérances de résistance dans une échelle R-2R D / A par exemple. Écoutez vos clients ou ils ne vous écouteront pas.

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