Impact du préringing des Dacs

[Nard]

Bonjour,

Nos Dacs filtrent raide à la fréquence de Nyquist. En FIR à phase linéaire, cela entraîne un pré-ringing que l'on peut voir sur les impulsions mesurées avec REW. On en avait parlé ici :
http://forum-hifi.fr/thread-12194.html

La question était de savoir si un préringing à cette fréquence (24kHz dans le cas d'un flux à 48kHz) pouvait avoir un impact audible. Mon opinion était que oui, du fait que les sons se combinent entre eux par phénomènes de battement. Mais d'une manière plus générale, d'après Wikipédia :
La somme de deux sinusoïdes équivaut à une sinusoïde de fréquence égale à la moyenne de leurs fréquences, multipliée (ou modulée) par une sinusoïde de fréquence égale à la demi-différence de leurs fréquences.

Cela avait fait l'objet d'un débat sur le fil du D70 vs Dacs audiophiles :
http://forum-hifi.fr/thread-12196-post-2...#pid272680

Je m'étais alors engagé à faire une campagne de mesure pour tenter d'en mesurer l'impact éventuel, c'est chose faite. En voici le compte rendu succinct

Protocole de test :

Le principe consiste à injecter sur la chaîne HiFi un signal sinusoïdal à fréquence élevée, de 15 à 21kHz, enregistrer ce qui sort des enceintes et analyser le spectre résultant.

La génération du signal, son enregistrement et son analyse ont été faites avec Audacity.
La chaîne se compose d'un Dac M2Tech Young, d'un ampli Nait XS et d'enceintes Focal DB908 (filtres refaits).

Le signal de test se compose alternativement d'un silence de 6 secondes et de sons sinusoïdaux de 1kHz (pour étalonnage) 15, 17, 19 et 21 kHz échantillonnés en 24 bit / 48kHz en mono sur le canal droit.

L'enregistrement passe par un micro Umik 1 à 70 cm des enceintes, à hauteur du tweeter. La captation est faite à volume très modéré.

Après enregistrement, le signal obtenu fait l'objet d'un post-traitement numérique qui consiste à enlever le bruit de fond ambiant (atténuation de 12 dB avec l'outil fourni par Audacity).

Le signal obtenu sera analysé par FFT avec une fenêtre de type Blackman de 1024 échantillons.

Voici une recopie écran du projet. En haut le signal généré, au milieu le signal enregistré, en bas le signal post-traité.



Résultats attendus :

La formule de Wikipédia devrait entraîner les résultats suivants, pour un préringing à 24kHz (signal échantillonné à 48kHz) :

Fr Test  Fr Moyenne  Fr Modulation 
15000     19500          4500           
17000     20500          3500           
19000     21500          2500           
21000     22500          1500

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Résultats obtenus

FFT du bruit de fond



On voit que le salon est relativement bruité (enregistrement fait ce midi, fenêtres closes.)

Ce qui est dommageable, c'est qu'en plus des graves, j'ai tout un paquet d'harmoniques multiples de 1kHz qui vont compliquer l'analyse.

Ca ne vient pas des enceintes, elles sont très silencieuses. Même en collant l'oreille dessus, le chuintement est extrêmement faible (0,2 mV de tension à fort volume aux bornes de l'enceintes, mesurée avec un voltmètre électronique ayant 500 Hz de bande passante)

Après passage du réducteur de bruit (12 dB, post-traitement Audacity), le bruit de fond apparaît comme suit, c'est mieux :




Résultats à 15 kHz



Ceci est la FFT corrigée du bruit de fond. On ne distingue aucune fréquence résultant d'une combinaison avec le pré-ringing du Dac.


Résultat à 17 kHz



Ceci est la FFT brute, on ne distingue pas grand chose en dehors du signal et du bruit de fond.



Par contre, la FFT corrigée du bruit de fond permet bien de distinguer la fréquence moyenne attendue à 20500 Hz (24000 + 17000)/2. Ce qui est plus étonnant, c'est qu'on trouve également une fréquence égale à la fréquence de test moins la modulation (modulation = à la moitié de la différence des fréquences, soit 3500Hz).


Résultat à 19 kHz



Cette FFT est également corrigée du bruit de fond. On retrouve les mêmes résultats que pour le 17 kHz.
Soit la fréquence moyenne attendue à 21500 Hz (à peu près) ainsi que cette surprise à la fréquence de test moins la modulation (19000 - 2500 = 16500 Hz).


Résultat à 21 kHz

Nada ! On observe uniquement la fréquence de test sans aucune combinaison avec le pré-ringing.

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Conclusion

Il est très difficile de tirer des certitudes absolues de cette petite expérimentation, un biais a toujours vite fait de se glisser subrepticement dans le protocole ou pendant l'épreuve. Toutefois, il semble y avoir confirmation de la théorie selon laquelle les signaux se combinent avec le pré-ringing du Dac pour les fréquences de 17 et 19 kHz.

Le fait que rien n'ait été détecté à 15 kHz pourrait s'expliquer par le plus grand éloignement de cette fréquence avec celle du pré-ringing, entraînant un signal recombiné de moindre ampleur.

A 21 kHz, on dépasse la bande passante effective de mon système. Les tweeters ne restituent plus grand chose, on est sur des bruits de fond de l'ordre des -90 dB.

Ce qui m'a également surpris, c'est qu'aux fréquences où le test marche (17 et 19 kHz) on obtient non seulement la fréquence moyenne prédite par la théorie, mais aussi une fréquence modulée égale à la fréquence de test moins la fréquence de modulation. Il faudrait que je potasse un peu plus mais pfff... à mon âge. En fait, on trouve chaque fois la fréquence de test plus ou moins la fréquence de modulation...

Enfin, pour rassurer tout le monde, les interférences obtenues le sont à des niveaux extrêmement faibles, perdues dans le bruit de fond et à des fréquences élevées. Peu de chances qu'on les entende. Toutefois, cela ne veut pas dire qu'elles soient d'une totale innocuité pour le message sonore

[Bigga]

Merci d’avoir fait ce boulot. C’est intéressant, même si effectivement l’audibilité de ces « accidents » me paraît peu probable dans un tel test.
Après, dans des conditions d’écoute musicale polyphonique, il est probable que ce phénomène se multiplie, et que ça devienne vite le bordel dans les fréquences et harmoniques, en tous cas que des modulations non voulues apparaissent sur pas mal de fréquences, certes à des niveaux faibles, mais qu’en est il d’une éventuelle modification des harmoniques et des timbres?
Une autre question est: comment éviter ce phénomène?
C’est très intéressant, quoi qu’il en soit.

[Nard]

Merci Bigga

Il y a bien sûr un petit impact sur les timbres. Ce qu'on appelle les duretés numériques.

On ne peut éviter le phénomène qu'en filtrant à phase minimale mais ça déphase, donc problème de localisation des instruments et tous les Dacs n'offrent pas le choix des filtres.

On peut aussi filtrer moins raide mais ça écourte la bande passante puisqu'il faut filtrer plus tôt.

Toute médaille a son revers

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Il faudrait des Dacs non ZOH mais c'est une autre histoire

[Nard]

Je viens de refaire cette expérimentation en poussant le son plus fort et en prêtant davantage attention aux problèmes de bruits de fond. Je m'attendais à ce que dans ces conditions, les interférences soient mieux mises en évidence et même éventuellement quantifiables.
Hélas, il n'en n'est rien !  A ma grande complexité, c'est le contraire qui s'est produit

Je vous passe les détails, mais voici ce qu'on observe cette fois à 19kHz sans correction. On est toujours au même niveau de bruit de fond, par contre, bien que le signal soit 20dB plus fort que précédemment, on ne distingue pas plus d'interférence que l'autre fois.



Comme hier, je passe alors le réducteur de bruit de fond, réglé pareil à -12dB en prenant l'empreinte du bruit sur le silence qui précède ou qui suit le signal enregistré :



On constate tout d'abord que si le bruit de fond a bien été réduit dans les graves, ce n'est plus le cas dans les médiums ou les aigus. Serait-ce qu'il y a du souffle quand le signal est joué ? Et pourquoi le bruit est-il plus fort entre 1 kHz et 10 kHz après le passage du réducteur de bruit ? J'ai refait la manip plusieurs fois, en prenant le bruit de fond en différents endroits et en modifiant les paramètres du réducteur, rien n'y fait. Mystère et boule de gomme !

En second lieu, on voit que les interférences qui apparaissaient hier à 16500 et 21500 Hz ont disparu !!!

Qu'en déduire ? La première chose c'est qu'avant de tirer des conclusions à prétention un peu scientifique, on vérifie que l'expérience est reproductible en faisant varier les paramètres. Au temps pour moi !

La seconde, c'est que de toute évidence, si interférence il y a, elles doivent être extrêmement faibles. Toutefois, je me pose des questions quant au protocole utilisé. Pour qu'il y ait pré-ringing, il faut que le signal soit dans la zone d'amorce du filtrage, c'est le cas avec 19kHz, ce n'est plus le cas avec 15, ou alors si peu, ce qui explique le négatif trouvé hier avec cette fréquence de 15 kHz.

Mais alors pourquoi à 17 et 19 kHz observe-t-on le phénomène sur un signal faible et pas sur le fort ? Et pourquoi le bruit de fond entre 1000 et 10000 Hz semble avoir augmenté avec le réducteur de bruit alors qu'il est par ailleurs totalement éliminé sur les silences qui précèdent et suivent l'émission du signal ?

En outre, si les résultats d'hier étaient des artefacts liés aux outils utilisés, comment expliquer autrement que par une coïncidence le fait que ces artefacts tombaient pile sur les fréquences attendues ?

Entre les limites du matériel et du logiciel d'une part, les mystères du traitement interne fait par le Dac d'autre part, mes lacunes sont bien trop importantes pour permettre de conclure autre chose que la difficulté à détecter ces interférences. C'est déjà ça...

Il vaudrait mieux faire cela à l'oscillo bien sûr, mais ça, je m'y suis toujours refusé.

Et puis tiens, ça m'apprendra à me battre contre les moulins ! Désolé pour le dérangement !

[lamouette]

Bravo Nard pour avoir fait ce travail de recherche

[begavin]

Très bon travail Nard! Merci!

[Jacques92]

Bonjour Nard,
Qu'est ce que tu appelles la Fréquence de modulation ?
Jacques.

[Nard]

Bonjour Jacques, merci de t'intéresser à ce fil. Je regrette de n'avoir pu pousser ces travaux jusqu'au bout faute d'oscilloscope.

Pour répondre à ta question :

La somme de deux sinusoïdes équivaut à une sinusoïde de fréquence égale à la moyenne de leurs fréquences, multipliée (ou modulée) par une sinusoïde de fréquence égale à la demi-différence de leurs fréquences.

La fréquence de modulation est donc égale à la demi-différence de ces fréquences, soit la différence entre ces fréquences et leur moyenne.

Exemple : dans le cadre de cette étude, avec des signaux échantillonnés à 48kHz, la fréquence de Nyquist est de 24kHz. Si le signal de test est à 17kHz, la fréquence de modulation est donc de 3500Hz. Si le pré-ringing devait interférer, on devrait observer un signal à 20500Hz modulé à 3500Hz...