Qualité audio améliorée grâce à l’absence de rotation de phase sur les coupures de filtrage

Les filtres numériques IIR reproduisent fidèlement les filtres analogiques (actifs ou passifs), y compris le comportement de phase par rapport à la fréquence. Comme pour leurs homologues analogiques, ils sont affectés par d’inévitables rotations de phase à la fréquence de coupure, qui sont basées sur les différences de courbe utilisée (Butterworth, Linkwitz, Bessel), toujours perceptibles à l’écoute.
Par exemple, en pratique un filtre passe bas IIR du quatrième ordre (24 dB/Oct) à 200 Hz, avec son passe haut symétrique, résulte en une rotation de phase évoluant entre 0 et -360 degrés dans le spectre audio. Cette altération de phase affecte la perception de l’image sonore, qui met en avant les défauts en termes de cohérence et de stabilité..

Image 1 : Simulation électrique de réponse en fréquence (module et phase) d’un filtre passe bas de quatrième ordre Linkwitz-Riley (24 dB/Oct) associé à un filtre passe haut symétrique ayant une coupure à 200 Hz. Filtres IIR (en noir) et filtres FIR (en bleu).
Imaginez un système 3 voies ou le woofer 18 cm monté en portière est raccordé à 400 Hz avec le médium, installé sur le montant de baie à côté du tweeter, lui-même filtré avec le médium à 5000 Hz, utilisant des filtres IIR. L’altération de phase du système réduit la focalisation des instruments dans la scène virtuelle. Pour cette raison nombre de passionnés préfèrent adopter un système 2 voies, avec un woofer et un tweeter raccordés à 2500 Hz et une pente de 6 dB/Oct, afin de limiter autant que possible les rotations de phase. Cette solution comporte malgré tout plusieurs désavantages significatifs dus à la plus grande distorsion et à la plus faible puissance du tweeter. Avec une pente de 6 dB par octave, dans une large plage autour de la fréquence de raccordement, le son est produit à la fois par le woofer et par le tweeter. Comme un tweeter et un woofer ont des caractéristiques électro-acoustiques très différentes, la somme des deux émissions ne peut pas produire un signal clair, ce qui se traduit par moins de clarté dans la reproduction des transitoires musicales.

Dépasser les limites imposées par les rotations de phase des équaliseurs IIR

De la même manière que pour les filtres, les équaliseurs graphiques et paramétriques basés sur des filtres IIR altèrent la phase du signal avec des effets significatifs sur la qualité audio. Un signal lourdement corrigé est caractérisé par une image stéréo floue et un manque de définition des transitoires. Les audiophiles expriment souvent ce ressenti par l’exemple d’un voile qui brouille le message musical et le prive d’une grande partie de ses émotions.

Image 2 : Simulation électrique de réponse en fréquence (module et phase) de deux bandes d’un équaliseur paramétrique avec méthode IIR (en noir) et FIR (en bleu)
Qualité audio améliorée grâce aux filtres et équaliseurs FIR

L’utilisation de filtres FIR garantit une chose importante : le comportement de la phase est linéaire, libre de toute rotation ou imprécision. Cela rend également possible l’utilisation de fortes pentes (jusqu’à 48 dB/Oct), sans altérer la réponse de phase. Une si forte pente permet aux médiums et tweeters montés en montant de pare-brise de travailler à des fréquences plus basses sans pénaliser la tenue en puissance, tout en renforçant l’émission frontale. Les avantages des filtres FIR permettent donc d’exploiter pleinement les systèmes trois voies et plus, amenant l’expérience d’écoute à un tout autre niveau. A l’écoute, un système utilisant les filtres FIR apporte une grande clarté dans la reproduction des attaques, comme l’acoustique de la frappe des marteaux d’un piano ou d’une batterie. L’image stéréo est plus profonde et définie. Les instruments sur la scène virtuelle sont plus focalisés et donnent une plus grande impression d’espace entre eux. Et l’utilisation d’un équaliseur avec la technologie FIR, partout sur le spectre audible, ne modifie pas la phase du signal, autorisant des corrections plus précises sans perturber la qualité audio.

De la famille de processeurs à virgule fixe « Sigma » aux processeurs SHARC à virgule flottante, plus qu’une simple évolution

Les filtres FIR apportent donc une meilleure qualité audio. Alors pourquoi sont-ils seulement utilisés sur le bit ONE HD ? Implémenter des filtres FIR demande au processeur du DSP de fonctionner avec une énorme quantité de nombres et pour des calculs bien plus complexes et laborieux que pour un filtre IIR. A tel point que les processeurs d’entrée de gamme Analog Device de la série « Sigma » qui sont utilisés par d’autres DSP audio ne permettent pas aux filtres FIR d’être utilisés, n’ayant pas assez de ressources de calcul pour prendre cela en charge. De plus, les micrologiciels de contrôle utilisés par les puces Sigma sont générés à partir de l’interface graphique « Sigma Studio » qui contient une bibliothèque de codecs audio à destination des développeurs, et aucun de ces codecs n’est dédié aux filtrage FIR.

Supériorité du bit ONE HD avec le processeur à virgule flottante SHARC ADSP-21489

Le bit ONE HD est le seul processeur audio numérique pour usage automobile équipé d’un processeur de la série haut de gamme SHARC ADSP-21489 d’Analog Device. Ce processeur travaille avec une unité 32 bit à virgule flottante, une caractéristique qui procure une plage dynamique sans commune mesure avec le premier prix « Sigma » à virgule fixe utilisé par d’autres processeurs. Qui plus est, la grande puissance de calcul et la précision des DSP de la série SHARC nécessite des mains expertes pour être exploitée pleinement. Il ne s’agit pas d’utiliser simplement les codecs fournis comme dans le cas de la série Sigma ; c’est pourquoi une équipe de développement avec une profonde compréhension de la programmation des algorithmes de traitement numérique du signal est requise. L’expérience en programmation des processeurs SHARC acquise par l’équipe Audison depuis 2006 avec l’implémentation du bit ONE, a permis d’atteindre un nouveau seuil de qualité audio pour le bit ONE HD. Un nouveau logiciel permet à l’utilisateur d’exploiter toute la puissance du processeur SHARC en employant des filtres FIR une plateforme à 9 canaux, permettant de créer des systèmes à hautes performances jusqu’à 4 voies + subwoofer. Le résultat est une qualité de traitement du signal radicalement différente de n’importe quel autre DSP. Cette expérience d’écoute unique est atteinte grâce à l’excellent travail de l’équipe de développement et à la qualité du DSP SHARC, atteignant une qualité audio jamais atteinte auparavant.