Je vais tâcher ici de vous donner quelques informations de base à connaître lorsque vous décidez de vous lancer dans un projet Arduino traitant avec de l’audio.
Mais attention, je ne parle pas de projet “audio-réactif”, comme on en voit en majorité sur le net, dont le but est de faire réagir le matériel en fonction d’une intensité sonore ou d’une fréquence particulière, ni même de “vu-meter” (visualisateur de fréquence type équaliseur). Mon but ici est de présenter les éléments importants à maîtriser dans le cas où vous souhaiteriez enregistrer réellement du son, c’est-à-dire capturer le signal sonore dans son intégralité en vue de traitement ultérieur : re-lecture, analyse spectrale, manipulation en Big Data pour créer votre propre Shazam... ;-)
Ainsi, sans avoir la prétention de vous donner un cours d’électronique avancée ou de traitement du signal (je n’en ai pas les capacités), je vais vous livrer tout ce que j’ai appris en tant que néophyte après m’être plongé tête baissée dans ce type de projet sans trop de connaissances de ces domaines.
Passage obligé : la théorie
Même si vous me voyez venir, je ne vais pas me lancer dans une explication des Transformées de Fourier (ou Fast Fourier Transform - FFT utilisées en électronique). Cependant, il est intéressant de comprendre leur concept de base : tout signal (ici sonore) peut être décomposé en signaux sinusoïdaux élémentaires, d’amplitudes et de fréquences différentes :
Comme on le voit ici, il s’agit donc d’ondes oscillant avec une amplitude variable autour de 0. Or, nos traitements numériques ne peuvent s’appuyer que sur des valeurs positives : nous allons donc devoir commencer par adapter les signaux captés pour pouvoir les traiter proprement, sans risquer de perdre la moitié des informations.
Pour ce faire, il va falloir décaler l’amplitude du signal de sorte que les oscillations aient une valeur minimum de 0. Ceci est possible en ajoutant une composante continue (pour créer un biais, ou “offset”), ayant pour valeur la moitié de l’amplitude max du signal : si la source émet une onde à partir d’une tension de 5V, le signal oscillera entre +2.5V et -2.5V. L’ajout d’une composante continue de 2.5V le fera alors osciller entre 0V et 5V.
La théorie est simple, n’est-ce pas? Mais voyons ce que cela implique au niveau matériel… Les choses se compliquent.
Un peu d’électronique
Pour additionner nos tensions (alternatives et continues), nous avons besoins d’un pont diviseur. Composé de deux résistances en série, il permet de faire entrer une tension de chaque côté et d’en restituer l’addition entre les deux résistances : nous avons d’ores-et-déjà réussi à décaler notre signal alternatif! Mais on ne peut pas s’arrêter là… Comme vous le constatez, son amplitude a été divisée de moitié, à cause des résistances. Petit aparté : nous venons de toucher du doigt la notion de Gain : c’est notamment la valeur de ces résistances qui fera varier le gain (la puissance) du signal en sortie. Il faut donc ajouter à notre montage un Amplificateur Opérationnel (AO) pour retrouver l’amplitude d’origine. Mais ce dernier ne fonctionnant qu’avec des tensions alternatives, il faut bloquer la composante continue. Pour ce faire, il faut ajouter un condensateur.
Source : L'électronique pour les débutants qui sèchent les cours mais soudent sans se brûler les doigts
Un autre exemple avec un micro :
Voici donc le rôle de ce montage de base que vous retrouverez régulièrement lorsqu’il s’agit de traiter des signaux audio. Vous voyez donc que plusieurs composants électroniques entre en jeu : il est alors évident que les caractéristiques de chacun vont avoir un impact sur la qualité du signal restitué. C’est ce dont nous allons traiter par la suite.
Choix du matériel
Le premier élément à choisir est le micro lui-même, qui fera la captation du son. Sauf besoin particulier (nous l’aborderons un peu plus loin dans cet article), les modules à électrets les plus répandus suffisent amplement.
Cependant, ils peuvent s’avérer très sensibles au bruit électrique du circuit qui les entoure. Par exemple, s’ils sont alimentés via un adaptateur secteur, un signal de “souffle” peut apparaître même en silence complet. De même, sur un Arduino, la sortie 3.3V est connue pour être plus stable que la 5V car plus régulée, mais l’idéal reste de prévoir l’alimentation du micro par pile simple.
Ensuite, l’Amplificateur Opérationnel joue un rôle primordial dans la préservation de la qualité du signal. Prenons pour commencer l’exemple d’un circuit très répandu : le Grove Sound sensor de SeeedStudio.
Il est équipé d’un AO LM358 dont l’inconvénient majeur est d’induire une perte de tension d’environ 1.5V par rapport à la tension d’entrée. Ce qui veut dire que par exemple, pour une tension d’entrée de 5V, la valeur maximale lue sur l’ADC de l’Arduino sera de 750 au lieu de 1024, comme expliqué ici.
Il vaudra mieux donc s’orienter vers un AO possédant une vraie caractéristique “Rail-to-Rail”, c’est à dire fournissant une tension de sortie égale à la tension d’entrée. L’exemple le plus courant est le MAX4466, disponible sur ce circuit d’Adafruit :
Cerise sur le gâteau, ce montage dispose d’un gain ajustable, autrement dit un potentiomètre variable à l’arrière.
Cependant, il faut garder en tête l’usage qui va être fait de ce micro : s’il s’agit de capter par exemple une musique, pas de souci, il suffira de régler le gain en fonction du volume de la source. Mais dans le cas d’une captation de son ambiant, ou environnemental, la difficulté réside dans l’impossibilité de connaître le volume du son qui sera capté. En effet, il n’est pas si évident de pouvoir bien capter à la fois un son faible ou éloigné et un son fort ou proche. Dans ce cas, si le gain est réglé au maximum pour capter les sons faibles, un effet de “clipping” (écrêtage) peut apparaître sur les sons forts, c’est-à-dire qu’ils seront trop amplifiés pour être captés entièrement :
L’idéal est donc de se diriger vers des montages disposant de gain automatiques, capable de passer d’un gain fort dans une ambiance calme à un gain faible dans un environnement bruyant. Cela se trouve également facilement grâce à l’AO MAX9814, disponible sur ce module Adafruit :
En plus de ce réglage automatique, il est possible de configurer un gain par défaut (40dB, 50dB ou 60dB) selon le montage.
Enfin, qui dit réglage automatique, dit réactivité pour adapter le gain. Pour cela, il faut influer sur le ratio Attack:Release (broche “AR” sur le montage), qui détermine la vitesse avec laquelle le gain est diminué (“Attack”) pour atteindre le seuil nécessaire puis augmenté (“Release”) pour revenir en état initial :
J'ai essayé ci-dessous d'illustrer ce concept avec les images d'un oscilloscope :
Pour aller plus loin...
Il reste encore bien des paramètres à prendre en compte au niveau du matériel pour obtenir une captation de bonne qualité.
Pour en citer quelques-uns, on peut commencer par la topologie des micros. En effet, une prise de son stéréo se révèle également bien plus efficace : deux micros permettent de réduire les sources de bruit (ou en tout cas de le soustraire par différentiel) mais également de pallier à l’aspect directif de certains micros.
Cette page explique par exemple comment un couple de micro ORTF permet de reproduire un son entendu par les oreilles humaines, en tenant compte de la distance entre les micros et de leur orientation. Il existe évidemment bien d’autres possibilités selon les situations.
Au niveau logiciel
Le programme à mettre en place joue également un rôle important dans la qualité du signal enregistré. Le défi principal est d’arriver à l’enregistrer de manière continue, sans être interrompu par d’autres tâches. Imaginons que vous vouliez enregistrer votre son dans un fichier WAV (sur une carte SD) : il faut être en mesure de continuer l’enregistrement du son le temps de l’écriture des données sur la carte afin de rester fidèle au signal d’origine et ne pas le hachurer.
Utilité des interruptions
Pour cette raison, il est préférable d’utiliser les interruptions, disponibles sur tous les micro-contrôleurs, notamment ceux équipant les Arduino (AVR ou ARM). Ceci nous permettra de lire à intervalles réguliers les valeurs captées par le micro sans pour autant bloquer les processus d’écriture du fichier WAV (et inversement). Mais nous ne pouvons pas pour autant nous contenter d’écrire sur dans le fichier chaque valeur lue : en effet, le temps d’écriture dans un fichier n’étant pas négligeable, nous perdrions trop d’informations du signal. Pour pallier à ceci, il faut utiliser un tampon, dans lequel nous allons stocker par exemple 512 valeurs, avant de lancer l’écriture sur la carte SD. Mais le problème reste à peu près le même... La solution optimale est d’utiliser 2 tampons en parallèle : une fois que le premier est rempli, on lance l’écriture sur la carte SD tandis que le second se rempli en arrière-plan. Une autre technique similaire est celle du “circular buffer”. Sur les plateformes ARM, il est également possible d’utiliser le Direct Memory Access.
Enfin, les micro-contrôleurs Arduino étant cadencés à plusieurs MHz et un extrait audio ne nécessitant qu’un échantillonage de l’ordre du kHz, nous utiliserons un “prescaler”, c’est-à-dire un diviseur pour limiter la fréquence de déclenchement des interrupts.
Comprendre le convertisseur analogique-numérique
Puisque nous voulons enregistrer un signal analogique, nous allons devoir utiliser la fonction “ADC“ qui permet de convertir une valeur analogique en numérique. Il est à ce stade très important de jeter un oeil à la spécification de l’ATmega2560 : elle indique (page 279) qu’une conversion analogique-digital dure 13 cycles d’horloge. Voyons ce que cela implique pour nous.
Comme évoqué plus haut, le micro-contrôleur de l’Arduino Mega 2560 est cadencé à 16MHz. Commençons donc par réduire la fréquence des interrupts par un prescaler de 32 :
16 MHz / 32 = 500 kHz
Cependant, pour prendre en compte le temps de conversion analogique-numérique, il faut encore diviser cette fréquence :
500 kHz / 13 ≈ 38 kHz
Nous obtenons donc ici une fréquence d’échantillonage finale de 38 kHz, proche de ce qui se pratique sur un CD audio (44,1 kHz). Pour cet exemple je me suis inspiré de cet Instructable. Vous pourrez donc adapter ce réglage à vos besoins.
Enfin, les échantillons relevés par l’ADC de l’Arduino sont codés sur 10 bits, comme présenté sur cette page. Or la plupart des formats audio le sont sur 8 bits. Il faut donc diminuer la précision des données acquises (“down-sample”) pour respecter les standards. Pour ce faire, il faut paramétrer l’ADC pour ne lire que les 8 bits ADCH via la commande : ADLAR=1
Prendre en compte l’offset
Vous vous souvenez de l’offset abordé en début d’article? Vous remarquerez que sur le dernier montage d’Adafruit, il est indiqué “DC offset : 1.25V”. Ce qui signifie que dans un silence complet, les valeurs retournées ne seront pas de 0 mais d’une valeur légèrement supérieure (dépendant du la tension d’entrée).
Ceci convient très bien à l’enregistrement de fichier WAV 8 bits, qui sont codés uniquement à partir de valeurs positives (unsigned int). Les logiciels de lecture (type Audacity) le savent et s’adaptent en fonction.
Cependant, à des fins de traitements du signal plus poussés, il peut s’avérer nécessaire de posséder à la fois les valeurs positives et négatives. Pour cela, il faudra penser à soustraire la valeur de l’offset (donc du silence) des valeurs mesurées.
A vous de jouer!
Vous avez dorénavant les éléments les plus importants pour vous lancer dans un projet de traitement de signal audio. J’espère que cela vous aura été utile!
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