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Introduction à la technologie des liaisons audio numériques sans fil

03 Pourquoi Sony a choisi de développer des systèmes de liaisonsaudio numériques sans fil

04 Système de transmission audio numérique sans fil

04 Présentation04 Emetteur05 Récepteur

06 Technologies clés - CODEC audio06 Présentation06 Caractéristiques07 Applications

08 Technologies clés - Modulateur et démodulateur numérique

08 Présentation08 Caractéristiques10 Applications

11 L'avenir des systèmes de liaisons audio numériques sans fil

RésuméTout commence en 1974 quand Sony se lance dans la conception de microphonessans fil en développant un système VHF 40 MHz. En 1983, le géant japonais proposeun système d'avant-garde avec la mise sur le marché d'un système VHF avecsynthétiseur de fréquences PLL. Sony continue à élargir sa gamme de liaisons audiosans fil et, lors du salon NAB de 1991, dévoile une solution particulièrement innovante,le système de microphone sans fil avec synthétiseur d'ultra hautes fréquences (UHF)PLL 800 MHz. Dès le départ, Sony se place à la pointe de la technologie puisquel'entreprise développe le premier microphone sans fil UHF avec synthétiseur defréquences PLL (282 canaux sélectionnables), ainsi que le système de réception « Space Diversity » pour une réception RF stable. Sony réussit également à réunir 42 canaux opérationnels dans une largeur de bande de 36 MHz. La gammeactuelle de microphones sans fil de Sony exploite ces technologies. Leurs performances audio sans concession, leur fiabilité et leur flexibilité font de ces systèmes des incontournables aux yeux des professionnels de l'audio, dans des domaines très variés, du broadcast à la production en passant par le théâtre, le divertissement et les conférences.

Les systèmes de Sony sont conçus pour répondre aux exigences suivantes :> Performances audio de qualité avec une large plage dynamique> Transmission extrêmement stable> Fonctionnement simultané sur plusieurs canaux

Les microphones sans fil de Sony ont optimisé le fonctionnement des systèmes audioprofessionnels. Parallèlement, la popularité grandissante des transmissions et desenregistrements audio numériques ainsi que la création de contenu Haute Définition(HD) réclamait que soient développés des systèmes de liaisons audio sans filmulticanaux à grande échelle pour un rendu sonore optimisé. En réponse à cesnouveaux besoins, Sony a conçu une technologie de transmission numérique sans filcapable de rivaliser avec les transmissions câblées tout en permettant l'utilisation deplusieurs canaux.

Depuis le lancement de son premier système audio numérique sans fil, Sony conçoitdes systèmes innovants, qui ouvrent de nouveaux horizons aux professionnels del'audio. Notre objectif : rendre la connectivité sans fil compatible avec un grandnombre de liaisons audio.

03

L'émetteur du transmetteur numérique sans filnumérise les entrées de signal analogique depuis lesmicrophones et les mélangeurs, puis les transmet sansfil sous la forme d'un signal numérique. Examinonsmaintenant de plus près le fonctionnement del'émetteur.

Le signal audio analogique est d'abord amplifié parl'amplificateur analogique puis numérisé par leconvertisseur A/N. Le DSP réalise trois opérations :encodage numérique (via le CODEC), cryptage ducanal (via le codeur de canal) et génération de signalmodulé (via le modulateur numérique). Dans leCODEC, les données des entrées audio numériséespar le convertisseur A/N sont compressées etconverties en flux numérique bas débit.

Ensuite, le codeur de canal ajoute les donnéesnécessaires (synchronisation, gestion des erreurs) à latransmission sans fil puis procède au cryptage. Aprèsquoi, le modulateur numérique génère un signal demodulation PI/4 QPSK rendant possible unetransmission numérique sans fil à partir du fluxnumérique crypté. Ce signal de modulation est ensuiteconverti en signal analogique via le convertisseur N/Apuis communiqué au bloc RF. Enfin, dans le bloc RF,l'onde porteuse modulée est amplifiée jusqu'àatteindre la puissance d'émission nécessaire. Elle est ensuite transmise au récepteur.

Le terme « système de transmission audio numériquesans fil » fait référence aux méthodes employées pourgérer les signaux audio après les avoir convertis del'analogique vers le numérique à l'aide d'unconvertisseur A/N.

Au sein d'un système analogique sans fil classique, lecompander (ou compresseur-extenseur) est l'élémentcentral pour la transmission avec une large bandedynamique. Un compander réunit des circuitsanalogiques complexes qui définissent la qualité duson et les caractéristiques de la réponse. Toutefois, cesystème analogique requiert une technologie

avancée pour pouvoir obtenir des niveaux deperformance constants. En effet, les circuitsanalogiques sont par définition affectés par lesvariations de leurs composants.

A l'inverse, les transmetteurs audio numériques sans filne sont pas soumis à de telles fluctuations, puisqu'ilsn'utilisent pas de système de compression-extension.En résumé, la transmission audio numérique sans fil estidéale pour transmettre des signaux audio hautequalité sans les altérer.

04 Système de transmission audio numérique sans fil

Microphone

Mélangeur

Amplificateur A/N CODEC Codeur de canal

Traitement numérique

Modulation numérique

Modulateurnumérique

Bloc RF

24 bits

48kHz

VUE D'ENSEMBLE

EMETTEUR

A réception de l'onde porteuse modulée, le récepteurrestitue le signal numérique audio et l'envoie vers l'équipement audio (ex : mélangeur audio,amplificateur de puissance), soit sous formenumérique, soit sous forme analogique. Voici lesprincipales étapes du processus de réception :

Dans le bloc RF, le signal reçu est numérisé par leconvertisseur A/N. Le DSP réalise trois opérations,comme lors de la phase d'émission : démodulationnumérique (via le démodulateur numérique),décryptage du canal (via le décodeur de canal) etdécodage numérique (via le CODEC). A réception dusignal RF numérisé par le convertisseur A/N, ledémodulateur numérique reproduit le flux numériquecrypté par l'émetteur. Le décodeur de canal procèdealors à la synchronisation, au décryptage et àl'abstraction de données.

Ensuite, le CODEC décompresse le signal audio basdébit dont les données avaient été compressées parl'émetteur. Il restitue ainsi le signal numérique audio.Enfin, ce signal est communiqué à l'équipementaudio, sous forme de signal audio analogique ounumérique. Si l'équipement audio est équipé d'uneinterface numérique de type AES/EBU, le récepteurpeut transférer directement le signal numérique. A l'inverse, si l'équipement audio fonctionneuniquement avec une interface analogique, le signalnumérique audio fait l'objet d'une reconversion N/A,est amplifié et transmis à l'équipement audio sousforme de signal analogique.

05

Amplificateur

Mélangeur

Caméscope

N/A

AES/EBU

CODECCodeur de canal

Traitement numérique

Modulateurnumérique

Bloc RF24 bits

48 kHz

RÉCEPTEUR

06 Technologies clés

VUE D'ENSEMBLE

Dans les systèmes sans fil, les signaux audio doiventêtre transmis via une bande passante limitée. Parconséquent, l'une des principales préoccupations desconcepteurs de micros sans fil a trait à la qualité desdonnées audio transmises sur cette bande passante.De plus, les applications de microphones exigent unetransmission audio à faible latence.

Sony conçoit des systèmes de CODEC audio quioffrent une qualité de son inégalée. Ainsi, Sony adéveloppé un système de transmission numériquesans fil basé sur le CODEC numérique de Sony, dont labasse latence permet d'obtenir une qualité de sonsans compromis, même avec une bande passantelimitée.

Le CODEC audio numérique de Sony réunit les troiscaractéristiques suivantes :

> Son de haute qualité sur 24-bits/48-kHz> Faible latence> Transmission sécurisée

Le CODEC audio numérique de Sony permetd'équilibrer le qualité sonore, le débit et la latence,tout en proposant les bits de redondance nécessairesà la transmission sans fil.

CARACTERISTIQUES

Qualité sonore sans concessionLe CODEC audio a été spécialement conçu pourfournir un son de très grande qualité. Il y parvientgrâce à l'amplitude de sa plage dynamique ainsi qu'àla rapidité de sa réponse en fréquence et de saréponse transitoire - éléments indispensables pour lesprogrammes de sonorisation (SR) et de broadcasting,où la qualité du son est critique.

Les systèmes analogiques intègrent un compander,qui favorise la transmission sur une large plagedynamique. Toutefois, même si les performances de ces systèmes de compression-extension ontconsidérablement évolué, il ne s'agit pas du meilleuroutil pour optimiser la rapidité de la réponse transitoire.

Le CODEC audio numérique de Sony a été développépour accélérer la rapidité de la réponse transitoire etdonc améliorer la qualité du son. Il exploite unefréquence d'échantillonnage 24 bits/48-kHz et offre :

> Une plage dynamique de plus de 106 dB

> Une réponse en fréquence allant de 20 Hz à 20 kHz

> Une réponse transitoire très rapide

Les performances du CODEC audio numérique deSony en matière de réponse transitoire s'expliquentpar la numérisation des signaux audio ; en effet, les circuits analogiques permettent difficilement d'atteindre ce niveau d'efficacité.

CODEC AUDIO

Le CODEC audio et le modulateur-démodulateur numérique sont des technologies DSP essentielles,très employées dans le cadre de la transmission audio numérique sans fil. Cette section explique le fonctionnement général de ces deux technologies.

AF RF

A/N

N/A

Co

da

ge

ca

na

l

Mo

du

late

ur

nu

mé

riqu

e

Dé

co

da

ge

ca

na

l

Dé

mo

du

late

ur

nu

mé

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e

CO

DEC

Do

wn

Sa

mp

ling

et

co

mp

ress

ion

de

bits

CO

DEC

Up

Sa

mp

ling

et

co

mp

ress

ion

de

bits

fe 2

4-b

its/4

8-kH

z 1

152

Kbit/

s

fe 2

4-b

its/4

8-kH

z1

152

Kbit/

s

RF AF

192

kb/s

192

Kbit/

s

Emetteur

Ré

po

nse

[d

B]

Fréquence [kHz]

Systèmeanalogique

Plage dynamique de plus de 106 dBRéponse en fréquence allant de 20 Hz à 20 kHzTrès bonne réponse dynamique

Systèmenumérique

20 Hz to 20 kHz

Réponse en fréquence

Réponse dynamique

Récepteur

Transmission audio à faible latenceLe deuxième atout majeur du CODEC audio est safaible latence. Dans un dispositif numérique, le signalest souvent différé à cause des processusd'échantillonnage, de synchronisation et de calcul.Une latence faible est essentielle pour bien desapplications, notamment les systèmes de liaison audiosans fil.

La plupart des CODECS courants, par exemple leMPEG AAC, exigent plus de 20 ms rien que pour laphase de décodage. En revanche, le CODECnumérique audio de Sony offre un temps de latencetrès faible (1,5 ms) pour l'encodage ou le décodage.Pour ce faire, il optimise le rapport entre les donnéesredondantes nécessaires aux processus de transmissionsans fil et de traitement du CODEC. Résultat : unelatence totale extrêmement faible (3,6 ms) duconvertisseur A/N de l'émetteur au convertisseur N/Adu récepteur. Si l'on traduit cette latence en distancespatiale, on obtient seulement 1,2 m.

Transmission audio sécuriséeLa sécurité des transmissions audio est un autreélément essentiel. Au cours d'une transmissionanalogique sans fil, le signal audio transmis estsusceptible d'être intercepté par le récepteur d'unsystème externe. Les signaux audio FM moduléspeuvent être démodulés par n'importe quelrécepteur. Toutefois, les systèmes audio numériquestransmettent des données modulées et cryptées, cequi limite le risque que le signal soit intercepté etgarantit un excellent niveau de sécurité.

07

Emetteur

Temps de latence total(A/N vers N/A) : 3,6 msec.

Récepteur

Système numérique

Transmission audio à faible latence

Signal audio FMmodulé

Signal audio moduléet crypténumériquement

Donnéescryptées

Risque que le signal soit intercepté par un récepteur externe

Temps de latence du MPEG AAC :20 à 350 msec.

Système analogique

Transmission audio sécurisée

APPLICATIONSEnsemble, les systèmes de transmission sans fil et leCODEC audio numérique permet de transmettre sansfil des signaux audio numériques vers de nombreusesapplications. La transmission numérique sans fil peutêtre exploitée par de nombreuses applicationscritiques exigeant un niveau de qualité que les

systèmes analogiques ne permettent pas d'atteindre.La technologie de transmission audio numérique sansfil de Sony vous donne les moyens de créer desconnexions sans fil pour toutes sortes de périphériquesaudio, des microphones aux processeurs audio enpassant par les haut-parleurs.

AES / EBU

AES / EBU

Scène

Sans fil numérique

Sans fil numérique

AES / EBU

La qualité fe 24-bits/48-kHz sur RF

AES / EBUProcesseur audioHaut-parleur etamplificateur de puissance

Processeur audioHaut-parleur etamplificateur de puissance

Système principal

Système de moniteur

1.2 m

08 Technologies clés

Optimisation du fonctionnement simultané sur plusieurs canaux

La conception du système RF est très importante pourun fonctionnement multi canal optimal. Dans lessystèmes sans fil à plusieurs canaux, l'intermodulationgénérée par l'amplificateur RF de l'émetteur ou durécepteur crée souvent des interférences entre lescanaux sans fil. Le bloc RF du système analogique sans

fil est conçu de façon à éliminer cette distorsion.Toutefois, il est impossible de limiter l'intermodulation,que ce soit au sein d'un système analogique ounumérique, si le composant RF est formé de circuitsanalogiques.

CARACTERISTIQUES

MODULATEUR ET DEMODULATEUR NUMERIQUES

VUE D'ENSEMBLE

Le fonctionnement simultané sur plusieurs canaux et à grande échelle est une fonctionnalité clé dessystèmes audio sans fil. En réponse à la demandeexprimée par la clientèle, Sony a conçu un modem(modulateur/démodulateur) numérique à puceunique qui rend possible ce type de transmission. Outre la technologie RF utilisée sur les systèmes detransmission sans fil analogiques, le système detransmission audio numérique sans fil intègre unsystème de modulation numérique moins vulnérableaux interférences d'ondes. La combinaison de ces

deux technologies rend les transmissions sans filsimultanées particulièrement stables, même sur ungrand nombre de canaux. Le tout nouveau modemnumérique de Sony à puce unique permet d'utiliser 16canaux simultanément sur une bande passante deseulement 8 MHz. Grâce à son algorithme uniqueoptimisé pour les applications de liaisons audio sans fil,ce circuit intégré sur puce unique est tellementminiaturisé qu'il peut s'intégrer à un processeur DSP de taille réduite pour périphérique portable.

Modulateur numérique sur puce unique Signal modulé

Modulateur numérique sur puce unique

Démodulateur Détecteur

Emetteur

Récepteur

Spectre RF

CH1: 800.000 MHzCH2: 800.500 MHz

Le bruit d'intermodulationempêche l'allocation

du canal sans fil

Les signaux d'intermodulation du troisièmeordre se produiront entre 799 et 801 MHz

CH 1

CH 1 & 3 CH 2 & 3 CH 1 & 2

Signaux d'intermodulation du troisième ordre

CH 2

CH 1 CH 2 CH 3

DONNEES

Modulation QPSK

DONNEESRF

I

Q

MappageFiltre

Filtre

I

Q

09Technologies clés

On peut donc se poser la question suivante : en quoiles systèmes numériques sont-ils adaptés aufonctionnement multicanal ? Le schéma ci-dessusmontre que le rapport D/U (c'est-à-dire le rapportsignal utile/signal brouilleur) correspond au rapport S/B(signal/bruit) du signal audio démodulé dans unsystème analogique. Plus le niveau de signal brouilleurest élevé, plus il y aura de bruit dans le signal modulé.En général, un système analogique exige un rapportD/U supérieur à 40 dB.

Le système numérique sans fil de Sony ne génère pasd'erreur, puisqu'il fournit un rapport D/U supérieur à 20dB. Plus précisément, le signal audio ne subit aucunedégradation tant que le rapport D/U est de 20 dB,même si le niveau de signal brouilleur est élevé. C'estla raison pour laquelle le système numérique tolèrebien mieux le signal brouilleur émis par le système detransmission analogique (supérieur à 40 dB). Parconséquent, il est aussi moins sensible aux distorsionspar intermodulation.

Cette tolérance permet d'utiliser plusieurs canauxsimultanément. Ci-dessous, la figure de gauche illustrel'allocation des canaux au sein d'un systèmeanalogique classique. Dans ce cas de figure, leprocessus d'allocation des canaux doit éviter lescanaux inexploitables, c'est-à-dire ceux subissant desdistorsions. En revanche, la figure de droite montrel'allocation des canaux au sein d'un système demodulation numérique. L'impact du signal brouilleurest d'environ 20 dB inférieur à celui affectant lesystème analogique. En associant un système demodulation numérique à un circuit RF performant,même les canaux affectés par des distorsions parintermodulation deviennent exploitables. Autrementdit, il est possible d'allouer les canaux à espace égalsans avoir à se préoccuper de la distorsion parintermodulation. En Europe par exemple, cela signifieque le nombre de canaux exploitables simultanémentest multiplié de 1,6 par rapport à un systèmeanalogique classique.

Modulation FM Modulation numérique

Les systèmesanalogiques exigent

généralementun rapport (D/U) > 40 dB

SpectreSpectre

Rapport D/U > 20 dBPas d'erreur

*rapport D/U = rapport signal utile/signal brouilleur

CH 1

Brouilleur

Utile

Brouilleur

Utile

CH 2CH 1 CH 4CH 3

Système de modulation FM Système de modulation numérique

Distorsion par intermodulation créée par despériphériques RP non linéaires. Ces canaux ne sont pas exploitables.Bande passante de 8 MHz (un canal TV)

Ces canaux sont exploitables.Bande passante de 8 MHz (un canal TV)

L'exemple suivant se penche sur le système detransmission multicanal utilisé par une émission de télé-réalité Française. Avec un système analogique, il est possible d'utiliser simultanément 10 canaux sur unebande passante TV. Par conséquent, la disponibilitéd'un canal TV permet de configurer un système à 16 canaux.

Avec un système numérique, il est possible d'utilisersimultanément 16 canaux sur une bande passante TV,ce qui permet de configurer des systèmes plusimportants à partir des canaux TV disponibles.

10 Technologies clés

MODULATEUR ET DEMODULATEUR NUMERIQUES/SUITE

APPLICATIONS

TV69

Système à deux caméras

TV69

TTL 10 canaux

TTL 16 canaux

Analogique

Numérique

60% de canaux disponibles supplémentaires

CH 2CH 1 CH 4CH 3 CH 2CH 1 CH 4CH 3

Pas de distorsions parintermodulation Allocation

spécifique de canaux

Intervalles réguliers Allocation simple de canaux

Système à trois caméras

3ch

3ch

2ch

2ch

3ch 2ch

3ch 2ch

4ch 2ch

11L'avenir des systèmes microphones numériques sans fil

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Le système de transmission audio numérique sans fil de Sony procure une qualité sonore sans concession et permet un fonctionnement multicanal à grande échelle. Cette innovation technologique s'appliqueaux microphones sans fil, mais également aux transmissions audio sans filentre de nombreux systèmes audio professionnels.

Cette technologie est capable de s'adapter aux futurs développements en matièrede traitement DSP, de miniaturisation des composants ou de consommationd'énergie. En outre, ses fonctionnalités de multiplexage permettent de transmettreles signaux audio, mais aussi d'autres données métier utiles.

En associant ces technologies avancées, Sony améliore la qualité des transmissionsaudio numériques sans fil et ouvre de nouveaux horizons aux professionnels de l'audio.

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