Brevet FR2721132A1 — publié le 19951215

Procédé et système sour produire un signal analogique de synthèse L'invention se situe dans le domaine de la synthèse de signaux, c'està-dire la production de signaux analogiques à partir de signaux numériques. Les signaux artificiels cu snthétiques sont couramment utilisés notamment scur produire des sons qui se propagent dans l'air Ou dans l'eau. Dans le domaine de l'acoustique aérienne, les synheétiseurs et les orgues électroniques sont bien connus et ont fait l'objet de développements indusriels.imcortants car ils touchent un large public. En acouscique sous-marine, les signaux artificiels sont employés pcur recréer un environnement virtuel et former les cersonne! s navigants à identifier des situations océraicnnelles complexes. Dans la plupart des cas, on utilse des signaux numériques, échantillonnés o chacue échantillon est un nombre représentatif de l'am-pilitue du signal et qui conserve une meme valeur durant la céricde d'échantillonnage. Les signaux numériques scn- a-abituellement calculés au moyen d'un ordinateur car des méthodes très variées. Ils sont ensuite transformés en grandeur analogique, c'est-à-dire en une -randeur variant continûment en fonction du temps. Cette orandeur peut être par exemple un signal électrique,.anet icue ou une pression acoustique. Cette transforac.'ion est assurée par des appareils appelés ccnverisseurs numérique-analogique. Les signaux sont calculés par l'ordinateur, échantillon par échantillon, pour représenter leur évolution temporelle, avec une précision plus ou moins grande. Ces échantillons sont transmis, par exemple par l'intermédiaire d'un bus, au convertisseur numérique- analogique qui convertit les échantillons numériques en grandeurs analogiques pour fournir en sortie le signal analogique. La précision de restitution du signal analogique dépend des caractéristiques du convertisseur numérique- analogique. L'une de ces caractéristiques est le nombre d'échelons de quantification, c'est-à-dire le nombre de niveaux discrets dont on dispose pour représenter le signal analogique. Ce nombre conditionne la résolution du convertisseur. Chaque niveau discret est généralement exprimé par un nombre binaire composé d'un nombre déterminé de bits. Ainsi, l'imprécision sur la valeur d'un échantillon correspond à la valeur représentée par le bit de poids faible du nombre binaire représentant l'échantillon. Cette imprécision, habituellement appelée bruit de quantification, conduit à définir un rapport signal-à- bruit directement lié au nombre de bits utilisés pour représenter l'échantillon. Ainsi, lorsque l'amplitude du signal synthétisé est importante, toute la dynamique du convertisseur numérique-analogique est utilisée, donc le rapport signal-à-bruit est élevé. Par contre, des signaux de faible amplitude sont représentés avec moins de précision, le codage utilisant moins de bits. En conséquence, le rapport signal-à-bruit diminue et la distorsion augmente. La technique utilisée actuellement pour augmenter ce rapport signal-àbruit consiste à utiliser des convertisseurs numérique- analogique de plus grande résolution, donc ayant un plus grand nombre de bits, dans les limites autorisées par la technologie. Cette solution présente cependant l'inconvénient de nécessiter des convertisseurs à haute résolution pour pouvoir synthétiser des signaux ayant une dynamique importante. Aussi, l'invention a pour but de remédier à cet inconvénient en proposant un procédé de synthèse de signaux analogiques avec une résolution optimale tout en utilisant des convertisseurs à plus faible résolution. Dans ce but, l'invention a pour objet un procédé pour produire un signal analogique de synthèse à partir d'un signal numérique, caractérisé en ce qu'il consiste: - à mettre ledit signal numérique sous la forme d'un premier signal numérique de forme d'onde représenté par au plus un nombre prédéterminé de bits et d'un second signal numérique d'amplitude, - à convertir ledit premier signal numérique en un troisième signal analogique au moyen d'un convertisseur numérique-analogique dimensionné pour convertir des nombres binaires comportant un nombre de bits au plus égal audit nombre prédéterminé et - à moduler ledit troisième signal analogique par ledit second signal numérique au moyen d'au moins un atténuateur programmable recevant ledit troisième signal analogique sur son entrée analogique et ledit second signal numérique sur son entrée numérique de programmation d'atténuation. Avantageusement, l'atténuateur sera dimensionné pour permettre une atténuation d'au moins 10 décibels, avec une précision d'au moins 5 centièmes de décibel. L'invention a également pour objet un système de synthèse pour la mise en oeuvre du procédé précédemment défini. Le système est caractérisé en ce qu'il comporte: - une unité de calcul pour élaborer lesdits premier et second signaux numériques, - une première liaison parallèle reliant ladite unité à l'entrée dudit convertisseur numérique- analogique pour transmettre ledit premier signal numérique, - une seconde liaison parallèle reliant ladite unité à l'entrée numérique de programmation dudit atténuateur pour transmettre ledit second signal numérique et en ce que la sortie du convertisseur numérique- analogique est reliée à l'entrée analogique de l'atténuateur. Le procédé et le système de synthèse selon l'invention trouvent une application particulièrement intéressante dans le domaine des tests auditifs ou psycho- acoustiques. Dans ces applications, le signal de synthèse sert à activer un transducteur électro- acoustique, du type casque ou analogue, porté par l'utilisateur subissant le test. D'autres aspects et avantages de l'invention apparaîtront dans la suite de la description en référence aux figures. - La figure 1 illustre un procédé de synthèse de signaux selon l'état de la technique. - La figure 2 est un schéma de principe d'un convertisseur numérique-analogique. - La figure 3 représente les variations en fonction du temps de l'amplitude d'un signal synthétisé. - La figure 4 schématise le procédé de synthèse selon l'invention. - La figure 5 représente une variante du procédé selon l'invention. - La figure 6 représente un système de synthèse selon l'invention, appliqué à des tests psycho-acoustiques. Comme représenté sur la figure 1, un signal à synthétiser se présente généralement sous la forme d'un signal numérique binaire S constitué d'un nombre de bits déterminé. Ce nombre est imposé par le choix de l'unité de calcul qui élabore le signal numérique S. Ainsi, avec les micro-ordinateurs actuellement disponibles, le signal S peut être défini sur 8, 16 ou 32 bits. La solution idéale pour produire un signal analogique de synthèse à partir d'un tel signal numérique serait donc d'utiliser un convertisseur numérique-analogique capable de convertir des nombres binaires comportant un nombre de bits au moins égal à celui qui constitue le signal numérique. Toutefois, pour des raisons de coût ou de limitation imposée par la technologie, on est généralement amené à utiliser des convertisseurs ayant une résolution inférieure. On aboutit donc à la solution représentée à la figure 1 o seuls les n bits de poids fort bl, b2,..., bn du signal numérique disponible sont appliqués à l'entrée du convertisseur 1. Il en résulte que les p bits de poids faible du signal S ne sont pas pris en compte dans la conversion. La figure 2 montre un schéma de principe classique des convertisseurs numérique-analogique habituellement utilisés. On peut facilement vérifier que le signal analogique v qu'il fournit est une tension proportionnelle au signal numérique Sl formé des bits de poids fort bl-bn. Le signal v est également proportionnel à une tension de réglage EO. Des convertisseurs fondés sur le principe du schéma de la figure 2 sont proposés par divers fabricants. En pratique, la réalisation prévoit bien entendu des moyens de filtrage des harmoniques d'échantillonnage ainsi que la possibilité de fournir des tensions négatives. A titre d'illustration, la figure 3 montre les variations en fonction du temps d'un signal v obtenu après conversion d'un signal numérique sinusoïdal S. Le signal v qui n'est défini que pour des valeurs discrètes est donc entaché d'un bruit de quantification permettant de définir un rapport signal-à-bruit caractérisant la conversion effectuée. On considère en général que le rapport signal-à-bruit est égal à autant de fois 6 décibels qu'il y a de bits utilisés pour la conversion. Ainsi, la méthode qui vient d'être présentée ne permet pas de restituer avec précision les faibles amplitudes des signaux à grande dynamique. Cette solution ne sera donc pas facilement utilisable pour réaliser par exemple des tests psycho-acoustiques o le rapport des amplitudes, exprimé en décibel, des signaux de forte et faible amplitudes peut être de l'ordre de 120 décibels. Bien que la synthèse numérique permette de maîtriser'- parfaitement les caractéristiques des signaux (caractéristiques spectrales, précision d'amplitude) la résolution des convertisseurs numérique-analogique n'est pas suffisante pour restituer de cette façon des signaux de faible anplitude avec une précision convenable. Comme la dynamique du système auditif est plus élevée que celle des convertisseurs couramment disponibles, on rencontre également ce type de problème dans toutes les applications impliquant des signaux sonores comme la synthèse des signaux musicaux ou la simulation d'environnement dans les sous-marins. La figure 4 représente de façon schématique le procédé de synthèse conforme à l'invention. Le signal numérique S à synthétiser est mis sous la forme d'un signal de forme d'onde SO associé à un signal d'atténuation A. Le signal SO est appliqué à l'entrée d'un convertisseur numérique-analogique 1 qui fournit le signal analogique vO de forme d'onde correspondant. Le signal vO est ensuite appliqué à l'entrée analogique d'un atténuateur programmable 2 dont l'entrée numérique de programmation reçoit le signal numérique d'atténuation A. L'atténuateur 2 fournit en sortie le signal analogique de synthèse v. Le convertisseur 1 fonctionne toujours à résolution constante. Le signal SO étant défini sur un nombre de bits réduit mais suffisant pour représenter la forme du signal, il est possible d'utiliser des convertisseurs courants peu onéreux. Comme d'autre part, un atténuateur programmable est un appareil travaillant sur des signaux analogiques, sa précision et sa plage de réglage par la commande numérique A ne sont pas soumises aux limitations d'un convertisseur numérique- analogique. Il en résulte que le procédé permet de synthétiser des signaux de très grande dynamique avec une résolution optimale. L'élaboration des signaux de forme d'onde SO et d'atténuation A est avantageusement effectuée par une unité de calcul, telle qu'un micro-ordinateur, programmée en fonction de l'application envisagée. Les valeurs d'atténuation A peuvent être préprogrammées, par exemple dans le cas d'une série d'essais prévus à l'avance, soit imposées par l'opérateur à partir du clavier du micro-ordinateur. La figure 5 représente schématiquement une variante du procédé selon l'invention. Selon cette variante, l'atténuation s'effectue au moyen de plusieurs atténuateurs 2A, 2B montés en cascade et commandés respectivement par des signaux numériques d'atténuation Ai, A2. Cette réalisation modulaire permet d'étendre à volonté les plages de variation de l'atténuation en utilisant des circuits standards. La figure 6 montre un exemple de réalisation détaillée d'un système permettant la mise en oeuvre du procédé selon l'invention. Cette réalisation est présentée dans le cadre d'une application à des tests psycho- acoustiques. L'unité de calcul 3 est un micro-ordinateur muni d'un microprocesseur travaillant sur des mots d'au moins 8 bits. Le microordinateur est relié par un bus B1 au convertisseur numérique-analogique 1. La sortie vO du convertisseur 1 est reliée à l'entrée analogique de l'atténuateur programmable 2 qui fournit en sortie le signal de synthèse v. Le micro-ordinateur 3 est d'autre part relié à l'entrée numérique de programmation de l'atténuateur 2 par l'intermédiaire d'une carte d'interface parallèle 4 et d'un second bus B2. Les bus B1, B2 constituent deux liaisons parallèles servant à véhiculer respectivement les signaux de forme d'onde SO et d'atténuation A. La carte d'interface parallèle 4 a pour but de maintenir constante la valeur de l'atténuation A. En pratique, la carte 4 et le convertisseur 1 sont enfichés dans le fond de panier du micro- ordinateur et reçoivent leurs informations par un bus conforme au standard prévu pour le micro- ordinateur. Pour effectuer les tests psycho-acoustiques, le système est complété par un sommateur 9 dont une première entrée reçoit le signal de synthèse v et un signal dit "masquant", constitué d'un bruit à large bande de fréquence, d'amplitude fixe fourni par un générateur de bruit blanc 8. La sortie du sommateur 9 alimente un transducteur électro-acoustique du type casque d'écoute. Le casque 6 est porté par l'auditeur dans un local insonorisé 10 dans lequel est placé un terminal 5 relié au micro-ordinateur 3 par une liaison série 7. Pour effectuer une expérience de psycho-acoustique visant à mesurer les performances de filtrage du système auditif, on mélange le signal masquant b et un signal de synthèse v de forme sinusoïdale dont l'amplitude et la fréquence varient au cours de l'expérience. L'amplitude doit être extrêmement précise (tolérance typique de 0,1 décibel) et considérablement variable (80 décibels). La fréquence de ce signal est également contrôlée avec précision. Les signaux v et b combinés dans le sommateur 9 sont présentés à l'auditeur qui doit indiquer s'il détecte le signal sinusoïdal. Selon sa réponse, on doit modifier l'amplitude du signal. Cette modification peut être effectuée par l'utilisateur au moyen du terminal 5. Ce terminal pourra également être utilisé pour saisir les réponses de l'utilisateur et les transmettre au micro- ordinateur 3 par la liaison 7. L'expérience peut être ainsi entièrement gérée par ordinateur. A titre d'exemple non limitatif, nous allons enfin donner quelques références de matériels utilisables pour constituer le système de la figure 6. L'ordinateur 3 est le modèle Mackintosh IIx de la société APPLE, qui est relié au convertisseur 1 par une liaison NuBus. Le convertisseur 1 est le modèle NB-A2100 de la société NATIONAL INSTRUMENTS dont la pleine résolution (16 bits) peut être utilisée. L'atténuateur programmable 2 est commercialisé par la société WILSONICS PATT et l'interface parallèle 4 est le modèle NB-DIO 32 de NATIONAL INSTRUMENTS. REVENDICATIONS 1. Procédé pour produire un signal analogique de synthèse (v) à partir d'un signal numérique (S), caractérisé en ce qu'il consiste: - à mettre ledit signal numérique (S) sous la forme d'un premier signal numérique de forme d'onde (SO) représenté par au plus un nombre prédéterminé (n) de bits (bl, b2, bn) et d'un second signal numérique d'amplitude (A), - à convertir ledit premier signal numérique (SO) en un troisième signal analogique (VO) au moyen d'un convertisseur numérique-analogique (1) dimensionné pour convertir des nombres binaires comportant un nombre de bits au plus égal audit nombre prédéterminé (n) et - à moduler ledit troisième signal analogique (vO) par ledit second signal numérique (A) au moyen d'au moins un atténuateur programmable (2, 2A, 2B) recevant ledit troisième signal analogique (vO) sur son entrée analogique et ledit second signal numérique (A) sur son entrée numérique de programmation d'atténuation. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdits premier et second signaux numériques (S0, A) sont produits par une unité de calcul (3) munie d'au moins un microprocesseur travaillant sur des mots d'au moins 8 bits. 3. Procédé selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que ledit atténuateur programmable (2, 2A, 2B) est dimensionné pour permettre une atténuation d'au moins 10 décibels. 4. Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que ledit atténuateur programmable (2, 2A, 2B) est prévu pour atteindre une précision d'atténuation meilleure que 5 centièmes de décibel. 5. Système de synthèse d'un signal analogique (v) pour la mise en oeuvre du procédé selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'il comporte: - une unité de calcul (3) pour élaborer lesdits premier et second signaux numériques (SO, A), - une première liaison parallèle (B1) reliant ladite unité (3) à l'entrée dudit convertisseur numérique- analogique (1) pour transmettre ledit premier signal numérique (SO), - une seconde liaison parallèle (B2) reliant ladite unité (3) à l'entrée numérique de programmation dudit atténuateur (2, 2A, 2B) pour transmettre ledit second signal numérique (A) et en ce que la sortie du convertisseur numérique- analogique (1) est reliée à l'entrée analogique de l'atténuateur (2, 2A, 2B). 6. Système de synthèse selon la revendication 5, caractérisé en ce que ladite unité de calcul est un micro-ordinateur et en ce que ladite seconde liaison parallèle (B2) comporte une carte d'interface parallèle (4) insérée entre une sortie parallèle dudit micro- ordinateur et l'entrée numérique de programmation de l'atténuateur (2, 2A, 2B). 7. Application du système de synthèse selon l'une des revendications 5 ou 6 pour effectuer des tests psycho- acoustiques, ledit signal analogique de synthèse (v) servant à activer un transducteur électro-acoustique (6), du type casque ou analogue, porté par un utilisateur. 8. Application du système de synthèse selon la revendication 7, caractérisée en ce que ledit second signal numérique (A) est modifiable par l'utilisateur. 9. Application du système de synthèse selon l'une des revendications 7 ou 8, caractérisée en ce que ledit signal de synthèse (v) peut être mélangé à un signal de, bruit (b) avant d'être appliqué audit transducteur (6).