Evolution du disque compact PCM 44,1 kHz / 16 bits

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Logo du format DSD.

Direct Stream Digital (DSD) est un procédé de stockage de signaux audio sur un média sonore numérique Super Audio CD créé par Sony et Phillips à la fin des années 1990 et lancé en 1999.

Il est en concurrence directe avec le PCM (codage sonore utilisé pour les Compact Discs) haute définition présent sur les DVD audio, lancés commercialement peu après le Super Audio CD.

Sommaire

1 Histoire

2 Description

3 Évolutions apportées pour succéder au PCM 44.1 kHz / 16 bits du Compact Disc

4 Technologie de compression sans pertes : le DST

5 Sécurité du code

5.1 Le Pit Signal Processing

5.2 Les contournements qui sont apparus

6 Concurrence avec le PCM

6.1 Compromis avec le PCM : le DSD-CD

7 L'avenir

7.1 Aspects commerciaux

7.2 Le DSD double taux et au-dessus

8 Références

Histoire

Lorsque le processus de conversion Sigma-Delta a été décrit pour la première fois dans le précis 2,927,962 de C. C. Cutler en 1954 (mais il ne fut nommé ainsi que dans l'article de H. Inose, Y. Yasuda, et J. Murakami en 1962), la décimation n'existait pas et l'intention était de transférer telles quelles des données sur-échantillonnées.

C'est en 1969 que D.J. Goodman propose dans son article "The Application of Delta Modulation of Analog-to-PCM encoding", pour la toute première fois dans l'histoire du son, de décimer des données Sigma-Delta sur-échantillonnées pour ensuite les convertir en Modulation d'Impulsion Codée (en Anglais PCM, acronyme de "Pulse Code Modulation")1.

Tout juste trente ans plus tard, en 1999, Sony et Philips réutilisent ce principe de décimation pour leur nouveau type de données audio, le Direct Stream Digital, destiné au format Super Audio CD, dont l'objectif est de succéder au Compact Disc et, si succès commercial, le supplanter.

Description

Comparaison entre l'encodage LPCM et DSD.

Le DSD est une méthode de stockage de signal Sigma-Delta avant application d'un décimateur qui le convertit en PCM.

Sa technologie consiste en un codage de son à très haute fréquence d’échantillonnage, 64 fois supérieure à l'échantillonnage PCM du Compact Disc, soit 64 fs (1 fs = 44100 Hz, donc 44100 Hz × 64 = 64 fs = 2,8224 MHz). Il est quantifié sur 1 bit unique, autorisant une bande passante allant jusqu’à 80 kHz voire 100 kHz et une dynamique de 120 dB ; elle est donc bien supérieure à celle recommandée par le théorème d’échantillonnage de Nyquist-Shannon. Ce procédé, associé au filtre decimateur, assure une haute cohérence de la phase.

Les conversions analogique-numérique et numérique-analogique sont également simplifiées, assurant une qualité de conversion du signal accrue pour un coût de production moindre. Il permet par ailleurs une spatialisation multicanale en plus de la stéréophonie utilisée jusqu’ici.

Pour accroître la capacité d’enregistrement du Super Audio CD, le flux audio-numérique subit une compression sans perte appelé DST ((en)Direct Stream Transfer) autorisant jusqu’à 80 minutes d’enregistrement de pistes DSD stéréo et multicanales combinées2.

Les techniques mises en jeu à cet effet emploient le Noise Shaping, ou mise en forme du bruit de quantification, par lesquelles ce bruit est repoussé dans les gammes de fréquences situées en dehors de la zone utile. Ces fréquences sont inaudibles à l'oreille humaine, mais souvent atténuées par les lecteurs au moyen d'un filtre coupe-haut du fait qu'elles risquent en contre-partie d'endommager (parfois fatalement) les tweeters qui ne sont pas super-tweeters, c'est-à-dire non conçus pour reproduire les ultrasons.

La modulation 1 bit (tout ou rien) n’est pas nouvelle : elle s’apparente à la modulation de largeur d'impulsion (Pulse Width Modulation utilisée dans les onduleurs, les amplificateurs de classe D, les dispositifs à valve de lumière : micro-miroirs DMD, etc.) pour laquelle le rapport cyclique varie en fonction de l’amplitude du signal à transcrire (voir schéma comparatif à droite). Le flux numérique 1 bit (DSD) doit cependant suivre un rythme d’horloge imposé (qui correspond à la fréquence sur-échantillonnée) on parle alors de PDM (Pulse Density Modulation) ou modulation de densité d’impulsions. Toutes les platines CD-A et DVD-A bénéficient d’un modulateur « un bit » permettant de retrouver, à partir d’un flux PCM (16, 20 ou 24 bits), un flux de type DSD (1 bit) qui est très simple à convertir en analogique (filtrage passe-bas d’ordre peu élevé). Il n'est donc pas nécessaire de recourir à un convertisseur Sigma Delta lors de la lecture du flux DSD du Super Audio CD.

Évolutions apportées pour succéder au PCM 44.1 kHz / 16 bits du Compact Disc

Le CD avec sa fréquence d’échantillonnage de 44,1 kilohertz, très proche de la limite haute de la plage de fréquences Hi-Fi (20 kilohertz), oblige à disposer d'un filtre à fréquence de coupure brutale dans les hautes fréquences (20 db/octave). Un tel filtrage détruit une grande partie de la richesse et la finesse de certains enregistrements (pas seulement dans les aigus) : ce problème fut très tôt identifié et les premières générations de lecteurs CD furent équipés de circuits d'interpolation afin de suréchantilloner le signal numérique, et ainsi limiter la destruction des harmoniques et hautes fréquences.

Afin de pallier cette lacune, le DSD fut fixé à un haut taux d'échantillonnage (voir plus haut) et son principe de modulation permet avec un simple filtre du premier ordre (6 db/octave) de ne pas

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