Brevet FR2622726A1 — publié le 19890505

L'objet de l'invention est de réaliser un module capable de s'intégrer dans une table de mixage ou un systeme capable de traiter le son pour diverses applications comme la restitution en haute fidelitX DU la mesure de bruit, Le but de ce module suivant l'invention est de traiter des sisnaux audios numériques par des filtres numériques qui dans la version ultime du dispositif peuvent autre obtenu (ou programmés) par un systeme acoustique faisant ressortir les carractéristiques de la salle, Un preneur de son peut #tre gené par la pièce ou il travaille, celle-ci apportant des échos et des résonances indésirables, le présent dispositif à pour but d'éliminer ces effets (ou de programmer un appareil destin à éliminer ces effets) par déconvolution ou par correction spectrale en amplitude et en phase. De mme lors de la restitution sonore par exemple en stéréophonie haute fidelitX ou pour des mesures acoustiques la salle peut être genante pour les mimes raisons et l'appareil proposé permet de suprimer ces effets. Ce dispositif peut tout aussi bien rajouter ces effets.Il peut travailler en temps réel ou en temps di*fbr6. Bien entendu il peu-t créer tout les effets habituels tel que filtre grave, aigu, équalisation, réverbération, échos. = Deux versions sont présentées Le dispositif selon l'invention est un module appelé calculat?ur,dont la première version est présentée figure 1 comportant un ou plusieurs ports (1) de communication, de la mémoire vive (2), de la mémoire morte (3), un bus de données (4), un bus d'adresse (#), éventuellement d'autres bus internes un ou plusieurs microprocesseurs (6).Le module calculateur peut aussi disposer d'un ou plusieurs convertisseurs analogiques numériques (7) (avec filtre analogique d'entrée, (B) et échantilloneur bloqueur (9) > en entrée du calculateur ainsi que d'un multiplexeur (10) commandable par le microprocesseur permettant de choisir entre des signaux numériques ou analogiques, une visualisation (32) des niveaux du signal audio peut Etre utile = De même on peut prévoir un convertisseur numérique analogique (il) avec filtre analogique (19) et bascule ( (13) à la sortie du calculateur. Une pile fifo (14) (premier entré premier sorti) peut etre placée à l'entrée du bus de données et une (15) a la sortie pour pouvoir synchroniser les signaux numérique audio entre plusieurs modules.Pour que le calculateur puisse travailler en temps digéré ou pour sauvegarder des fichiers de données on peut adjoindre une mémoire de masse (1#) reliée au microprocesseur par un controleur (17) et constituée entre autre d'un des dispositifs suivant: mémoire vive ,lecteur de disques souples, disque dur, disque optique, lecteur de bande... Cette mémoire de masse doit pouvoir entre accessible en temps réel (44.1 kilomots de 16 bit par secondes par exemple pour le débit compact dique créé par Philips). Pour augmenter la rapidité du calculateur et lui permettre de travailler en temps réel on peut lui adjoinre un controleur d' acces direct (18) a des zones de mémoires vives (lq) affectés à l'utilisation d'un processeur de tableaux (20) capable de calculer des transformbe de fourrier rapide ou des convolutions. Ces proccesseurs de tableauX comme à l'habitude disposerons de mémoires mortes (21) contenant entre autre des fonctions trigonométriques.On peut prévoir plusieurs processeurs de tableaux effectuant des calculs simultanéments et dont les mémoires vives associées se remplissent et se vident à tour de role cela dans le cas ou le temps de calcul par un seul processeur est trop grand pour le temp réel, mais cela augmente le délai du calculateur. Il faut aussi prévoir un port de controle d'écran et clavier (22) ou un port série type RS 232 (23). Le role du calculateur est de lire les données numériques audio entrant sur le port de communication et de les traiter par des suites de nombres particulières (que l'on peut appeler de la mémoire de masse ou caculer par di++érents algorithmes) ou des transformées diverses puis de les transmettre au port de communication en sortie. Comme exemple de traitement on peut citer le filtrage. Le calculateur calcule une transdprmée de fourrier discrete rapide du signal audio numérique, on obtient un spectre dont on peut changer l'amplitude et la phase, en le multipliant par une suite de nombre par exemple, une transformée de fourrier rapide inverse rétablira un signal temporel filtré. Le signal audio numérique peut aussi étre filtré en étant convolué par une suite de nombre représentant une réponse impulsionelle du filtre souhaité. Les deux méthodes son équivalentes car: TFinv (6(f) X TF(s(t)))=TFinv )*s(t) Par convolution ou par transformbe de fourrier on peut créer des effets comme la reverbération ou des échos avec des fonctions de la forme de celle présentée en figure 2. La convolution étant distributive par rapport à l'addition il suffira pour cumuler les effets d'additioner les fonctions avec différents poids pour obtenir la suite de nombres correspondante à envoyer au processeur de tableau pour le traitement. Dans une version plus élaborée on peut joindre au calculateur un dispositif appelé ici excitateur (24) comportant un ou plusieurs générateur de signaux électriques !95) (si il est indépendant sinon le module calculateur peut générer ces signaux par le convertisseur numérique analogique) avec amplificateur (26) et transducteur électro-acoustique (97) ou plus simplement l'excitateur peut Etre une claquette ou un pistolet ou un canon ou n'importe quel objet capable d'émettre des sons ayant un contenu spectral étendu. Il faut de plus un microphone (28) dont le signal peut Etre amplifié par un amplificateur (29) puis échantilloné et numérisé par le module calculateur. Une électronique gérant une ligne permetant d'interompre le microprocesseur pour lancer un sous programme peut entre prévue Si l'excitateur est indépendant du module. Dans cette configuration une suite de nombres obtenue par échantillonage de la réponse acoustique de la salle a une excitation acoustique provoquée par l'excitateur peut étire utilisée pour le traitement du signal audio numérique. En effet si 1' excitateur mis å la place de l'instrument à enregistrer emet une impulsion de dirac le microphone mis à sa place définitive captera la réponse impulsionnelle de la salle qui peut etre échantillonée et numérisée. On peut alors déconvoluer le résultat de la prise de son par cette fonction pour éliminer les effets perturbateurs dus à la salle et au microphone si c'est le meme qui est utilisé.Par la suite on ne séparera pas la réponse impulsionnelle du microphone de celle de la salle car c'est difficilement réalisable autrement que par des méthodes statistiques Inversement il suffît de convoluer le résultat par la réponse impulsionnelle d'une autre salle ( qui à été stoqué sur la mémoire de masse ) pour obtenir le résultat de la méme prise de son mais comme si elle était effectué dans cette autre salle. En fait le microphone enregistrera deux réponses impulsionelle successivement méme puis celle de la salle convoluée avec celle de l'excitateur.Pour retrouver la réponse impulsionnelle de la salle il faut faire le calcul suivant: Rie = réponse impulsionnelle de l'excitateur Ris = " " " la salle TF = transformée de fourrier TFinv = transformée de fourrier inverse TFinv(TF(IesRIs)/TF(Ie)) = Ris il est interressant de commander le gain de l'amplificateur du microphone (par un systeme (30) à transistor à effet de champs ou à relais statiques) car la différence de niveau entre l'onde directe et l'onde réfléchie par la salle peut être importante, cette commande peut Etre effectuez par le calculateur lui méme par l'intermédiaire d'un controleur (31) par programation avec une comparaison à seuil sur le signal audio numérique si l'excitateur est indépendant Pour déconvoluer par la réponse impulsionnelle il suffît de diviser la transformée de fourrier du résultat de la prise de son par la transformée de fourrier de la réponse impulsionnelle et de prendre la transformée de fourrier inverse de ce rapport. En fait t/TF(RIs) n'est a calculer q'une fois, en temps réel il faut faire deux transformées de fourrier et un produit de tableaux.Pour que le traitement soit efficace il faut que le processeur de tableau dispose d'une mémoire vive de l'ordre de deux mégaoctet . Pour ce qui est du calcul des transformées de fourrier discrètes rapides toutes les méthodes connues pourront Etre utilisée en particulier la taille des papillons peut entre adaptée aux besoins du calcul. Pour réduire le temps de calcul on peut utiliser la propriété suivante: le signal audio étant composé de suites de nombres réels on peut les introduire successivement dans les parties réelles et immaginaîres des tableaux de nombres complexes les résultats se retrouvant alors dans les parties symétriques et antisymétriques.Pour éviter les effets de bords particulièrement g8nant pour les petits support de calculs , le support de calcul étant limité par la taille des tableaux, on peut utiliser les différentes fenêtres connues comme celle de Hamming ou de Hanning et calculer la somme de deux transformées de Fourrier du m8me signal décalé d'un demi support comme il est d'usage. D'autres transformées peuvent Etre-utilisbes qui sont moins nécéssiteuses en calcul comme certaines transformées en Z avec pour inconvénient majeur un co-espace qui n'est pas représentatif des spectre habituels de fréquences. Pour réduire les effets de non répétabilité de l'excitation acoustique de la salle il est possible de moyenner des séries de mesures. On peut aussi intégrer les résultats de mesures faites avec di++érents types d'excitateurs. De façon plus simple le transducteur de l'excitateur peut émettre un bruit blanc ou un balayage de fréquences pures .Le micro reçoit un signal dont le spectre est modifié par la salle. Ces modifications peuvent Etre compensées en multipliant le spectre du signal par un tableau de correction de spec#tre de manière à retrouver le. spectre initialement émis. Le module calculateur est ainsi utilisé comme équaliseur graphique permettant de corriger l'amplitude et la phase sur un nombre de fréquences qui peut autre tres grand puisqu'il vaut un demi du nombre d'échantillons sur lequel on calcule la transformée de fourrier.Ce mode de fonctionement nous ramène à un résultat identique à la méthode de déconvolution si la taille des tableaux est similaire mais elle permet aussi de travailler sur des tableaux plus réduits ce qui permet d'aller vite et éventuellement de fonctionner en temps réel sans processeur de tableau ni mémoire à acces direct. La figure 3 présente la seconde version qui est la plus adaptée à ce mode de fonctionnement. Cette version du module comporte un amplificateur (37) d'entrée microphone (34) éventuellement à gain programmable comme dans la première version, un filtre analogique passe bas (.35), un échantilloneur bloqueur (7), cette chaîne permet de numériser une réponse impulsonelle d'une salle ou un signal audio analogique, un multiplexeur (38) pour choisir l'entrée numérique ou analogique, une pile fifo (s) (premier entré premier sorti) connecté sur un port de communication paralelle (59) un bus de données (40), un bus d'adresse (41), un microprocesseur (42), de la mémoire vive (43), de la mémoire morte (44), un controleur (45) de mémoire de masse (46), un controleur (47) de clavier et de visualisation (non représenté) ou de console (48), un controleur (49) regroupant des registres pour le controle des filtres et déphaseurs, des cartes (50) conportant filtres et déphaseurs en quantité voulue et comportant un additioneur (51), des unités arithmétique et logique (2) pour le filtrage, des unités arithmétique et logique (53) pour la contre réaction, une ligne à retard ajustable (54); puis un additioneur La différence essentielle avec la première version réside en ce que le traitement du signal n'est pas effectué par le microprocesseur mais par des filtres mis en paralelles commandés par le microprocesseur toutefois 1' utilisation en reste identique.La partie qui traite le signal peut tout à fait autre dans un boitier indépendant qui comporte les filtres et les déphaseurs (50) et l'additioneur (51) et dont le controleur de registre pour les filtres serait chargé lors de la mise en route à partir de mémoires programmables (prom, epr#om, eeprom ...) qui pourrait Etre programmée à l'aide du calculateur (auquel on aura joint un programmateur de mémoire) Cette configuration est surtout intéressante pour améliorer la prise de son ou la restitution de systeme fixé a demeure pour les petits studios ou les cinémas par exemple.Pour les autres entre retenue, une routine automatique pour lancer les calculs peut autre prévue. Une variante de cette version peut Etre l'utilisation de filtres analogiques comportant des amplificateurs à gain commutable (par relais statiques par exemple) des capacités commutées et des déphaseurs eux aussi utilisant des capacités commutées et des selfs commutées par relais statiques ou transistors cmos entre autre. L' additioneur (55) sera analogique et construit par exemple avec des amplificateurs opérationels. Tous les dispositifs précédents peuvent Etre utilisé comme on l'a vu pour réduire les effets dus à une salle à l'enregistrement mais ils peuvent servir aussi à la restitution pour réduire ces même effets ainsi que ceux du à la chaîne complète suivante: électronique, électro-acoustique, salle d'écoute. Pour améliorer la restitution de cette chaîne on peut procéder ainsi: on numérise la réponse impulsionnelle de cette chaîne en envoyant une impulsion de dirac par le calculateur (ou un générateur de signaux électriques > à l'entrée de la chaîne (l'amplificateur le plus souvent) et en plaçant le microphone à la place présumée de l'auditeur.Ce microphone aura intérêt à être installé dans un dispositif se rapprochant le plus possible de la tette humaine, l'impédance acoustique de ces microphones (deux si on est en stéréophonie) devra être le plus voisin de celle de l'oreille humaine complète: tête, pavillon, tube auditif, tympans... . Ensuite soit le calculateur déconvolue le signal audio que l'on souhaite restituer L'avantage de ce systeme est très net en haute fideleté car il améliore des enceintes acoustique dont la seule qualité requise sera d'avoir un spectre étendu. Le mode d'utilisation en enregistrement trouve une autre application dans la mesure acoustique. En effet pour éviter d'avoir à recourir à une chambre sourde on peut effectuer des mesures dans une salle ordinaire (ou méme dans une chambre sourde dont on veut améliorer les carractérîstiques d'utilisation) mais en applicant la méthode déjà décrite pour la prise de son, c'est à dire numériser la réponse impulsionnelle de la salle à l'excitateur et déconvoluer la mesure par cette fonction. Là encore on à l'avantage de déconvoluer aussi les effets du au microphone. Comme autre application on peut citer aussi création d'effet pour instrument de musique électro-acoustique, la synthèse musicale ou encore 1' instalation de salle pour des concerts ou les instruments sont sonorisé é lectro-acoustiquement. Voici différents accessoires concernant le module calculateur, ils sont représentés sur la figure 1 mais ils peuvent étire utilisé aussi avec la deuxième version. Un potentiomètre numérique commandant le niveau de sortie peut autre intégré au module calculateur . Il peut comporter un multiplexeur (60) (deux dans un) permetant de choisir entre la commande manuelle classique (61) associée à un convertisseur analogique numérique (62) et une commande numérique avec un inverseur trois positions (63) permetant d'incrémenter ou- de décrémenter un compteur programmable (64) . Ce compteur pourra tre chargé à une ancienne valeur (stuquée sur disque par exemple) par un microprocesseur interne ou externe. Une visualisation par baragraph pour ajuster le potentiomètre mécanique peut #tre utile.La sortie du multiplexeur est multipliée (6#) au signal audio numérique avant d'étire envoyée en sortie (66) ou à une pile fifo. En fait ce réglage n'est pas très souhaitable car il ne peut que réduire le rapport signal sur bruit sauf si on change le format des mots. Un potentiomètre de réglage placé avant la numérisation est plus utile car il permet de profiter pleinement de la dynamique offerte par le format (16 bits en général), celui ci peut mEme étire placé dans le microphone ou remplacé par un amplificateur à gain programmable (75) par le calculatEur. Une routine de test peut permettre d'ajuster le gain automatiquement à la bonne valeur. Pour l'enregistrement ou la mesure on peut aussi prévoir un port optique comprenant un démodulateur optique (67) avec décodeur de synchronisation et un registre à décalage série paralèlle à bascules (68). Q ce moment il est utile de moindre au microphone (69) le décodeur analogique numérique (70), un codeur (71), un registre à décalage paralèlle série (7O) et un modulateur optique (73) permetant de relier le microphone au calculateur par une fibre optique (74) La principale difficulté concernant l'utilisation de plusieurs modules concerne la synchronisation de l'ensemble.Celle ci peut autre faite en introduisant des mots de synchronisation (tops, compteur ou mots indiquant l'heure en temps universels par exemple) qui indiquent au calculateur le moment ou celui-ci peut commencer å charger les tableaux ou commencer les calculs. À la sortie du calculateur celui-ci peut générer ces mots de synchronisation en parallèle le microprocesseur chargé de la gestion de l'ensemble peut alors remettre les signaux audio en phase ou les décaler à la demande. Pour améliorer les performances du numériseur différentes techniques peuvent Etre employées comme le suréchantillonage, l'apport d'un bruit stoquastique sur la référence... L'une ou l'autre des deux versions des modules calculateurs vus précédement peut constituer une partie d'une table de mixage numérique (figure 4) comportant un groupe de multiplexeurs (76) permetant d'orienter n'importe quelle entrée sur n'importe quel -module calculateur (77) dont la sortie est envoyée sur des enregistreurs numériques (78) (ou analogique après conversion) à travers des multiplexeurs (79) et des controleurs d'enregistreurs (80) .Chaque voie à la relecture est transmise à un sous-systeme (81) jouant le role de panoramique distribuant la voie plus ou moins sur la sortie droite ou la gauche, les sorties droites des différents sous systeme sont alors additionées entre elles par des additionneurs (82), ainsi que les gauches, puis envoyées sur deux modules calculateurs S83) dont les sorties sont transmises à un multiplexeur (84) permetant d'alterner les voies droite ou gauche. L'ensemble est controlé par un microprocesseur (85), un bus (89) avec sa mémoire vive (86), sa mémoire morte SE7), un controleur de mémoire de masse (91) avec mémoire de masse (9) et ses ports de communication (88). Les sous-systemes panoramiques (81) comprennent un compteur programmable (92) dont la sortie attaque deux multiplieurs (93) l'une des sorties étant niée par rapport à l'autre par des inverseurs (94). Des potentiomètre numériques peuvent store rajouté à tous les niveaux. d'autres configurations peuvent entre envisagées par exemple dans le cas ou l'on souhaite traiter avec un seul module calculateur un signal stéréo les deux voies simultanément. La partie ~la plus complexe à réaliser reste les processeurs de tableaux surtout si les capacités requises sont de l'ordre du mégaoctet, néanmoins le débit de données reste tout à fait compatible avec les technologies de circuits existantes. REVENDICATIONS l) Procédé d'analyse acoustique et de correction en amplitude et en phase d'un signal audio destiné à supprimer, à modifier ou a rajouter les perturbations DU effets causés par une salle d 'enregistrement et/ou d'écoute et/ou de mesure ainsi que éventuellement par de l'electronique et/ou de l'éléctroacoustique comme notament des chambres de réverbération, des microphones ... carractérisé par les étapes À B C suivantes: A) Excitation acoustique ou électrique de la salle et/ou de 1 'électronique ou électroacoustique par tout systeme capable d'émettre un spectre fréquentiel étendu notament par les deux types de moyens suivants: - Acoustique: claquettes, pistolet ou canon - Electro-acoustique: Générateur de signaux, tels que sinus ou impulsion de Dirac seul ou précédent un amplificateur et un transducteur él éctro-acoustique B > Echantillonage de l'e > 'citation et/ou de la réponse acoustique de la pièce a l'excitation, par un dispositif comportant un convertisseur analogique numérique et des moyens de stockage de données numériques C) Production par un calculateur , a partir des échantillons précédement obtenus, d'une série de paramètres permetant de commander ou de programmer l'un des dispositifs suivants:: - Série de filtres analogiques à capacités commutées programab les numériquement branchées en paralèlles - Série de filtres numériques à registres programables - Dispositif comportant un microprocesseur, de la mémoire vive, de la mémoire morte, un port de communication permetant de recevoir et de transmettre les données audio-numériques, dont le but est de traiter le signal audio lui mime. 2) Procédé selon la revendication 1 carractérisé en ce que le traitement consiste à calculer la transformée de fourrier inverse du produit de la transformée de fourrier du signal a traiter et d' une suite de valeurs ou paramètres égaux à 1 que divise la transformée de fourrier numérique de la réponse acoustique de la salle et/ou de l'éléctronique et électroacoustique associée; les transformées de fourrier pouvant entre calculées par des algorythmes de' transformée rapides. 3) dispositif pour mise en oeuvre du procédé selon la revendication 1 ou 2 caractérisé en ce qu'il comporte au minimum un microprocesseur(6), de la mémoire vive(2), de la mémoire morte(3), un port de communication 4) Dispositif selon la revendication 3 carractérisé en ce qu'il comporte un (ou plusieurs) processeur de tableau 5) Dispositif selon la revendication 3 carractérisé en ce outil comporte des filtres et des déphaseurs numériques ou analogiques (5( ) commandables (ou programmables) par le microprocesseur (42) . 6) Dispositif selon l'une des revendications 3,4 ou 5 carractérisé en ce qu'il constitue un module s'intégrant dans une table de mixage ou un systeme de mesures acoustiques pour corriger les effets de salle et d'appareillages électronique et/ou electro-acoustique par déconvolution ou correction spectrale en -amplitude et en phase 7) Dispositif selon l'une des revendications 3,4 ou 5 carractérisé en ce qu'il est utilisé pour la correction de la restitution sonore (sonorisation, haute fidélité ...) d'une chaine telle que: transducteur acousto-blectrique ou autre source de signal audiophonique comme un lecteur de disque é I ectron i que, amp i i ficateur, transducteur electro-accustique, lieu d'écoute; notament à l'ai-de de microphone ayant une impédance acoustique proche de celle de l'oreille humaine et par déconvolution ou correction spectrale en amplitude et en phase. 8) Dispositif selon la revendication 6 carracté#isé en ce qu'il est programmé pour dater les signaux audis-numeriques pour pouvoir les synchroniser.