Le codage HDCD

Ce codage à pour support le CD. Il a pour but d'améliorer la qualité de restitution du CD tout en assurant une compatibilité totale avec tout les lecteurs CD qui existent. Vous possédez probablement des CD HDCD chez vous sans même peut-être le savoir. Regardez les jaquettes arrière de vos CD au cas où.

Comment cela marche

Quel est le principe du HDCD et qu'apporte t'il en réalité ?

Les auteurs du HDCD ont voulu réaliser 3 choses :
1- Etendre la dynamique du CD traditionnel. Ce dernier, étant codé sur 16 bits, a une dynamique standard de 96 dB. Beaucoup de professionnels du son considèrent cela insuffisant et préconisent plutot un minimum de 120 dB. Le CD classique en est loin.
2- Etendre la bande passante. Un CD traditionnel est limité à environ 20 Khz, cela est aujourd'hui considéré comme insuffisant pour être totalement fidèle à l'original.
3- Réduire la distorsion et l'erreur de quantification à faible niveau de signal. De par sa technologie, l'erreur de quantification (ou erreur de mesure du niveau du signal original pour chaque echantillon) est identique en amplitude quel que soit le niveau du signal. Hors, on a besoin de plus de précision si le signal est très faible.

Pour concretiser ces 3 objectifs, tout en restant compatible en lecture avec un lecteur CD standard, les inventeurs du HDCD ont conçu un système très ingénieux qui est basé sur un encodage lors de l'enregistrement du CD suivi du décodage approprié lors de la lecture. Reprenons les 3 points et voyons comment ils sont achevés :
1- Pour étendre la dynamique, le système travaille à la fois en haut (signaux forts) et en bas (signaux faibles), les signaux de niveau intermédiaires ne sont pas modifiés. En haut tout d'abors ou les crêtes du signal sont compressées dynamiquement grâce à une courbe de compression en forme de logarithme. Le système de translation "niveau du signal" vers "bits" n'est alors plus linéaire mais suit une courbe préféfinie. La même courbe, inversée, sera utilisée pour redonner au signal sa dynamique initiale. Ceci permets de gagner 6 dB de dynamique. Ensuite, sur la partie faibles signaux, l'encodeur HDCD analyse en temps réel le niveau du signal et dès que ce dernier passe en dessous d'un certain seuil, un gain sera progressivement appliqué pour remonter le niveau de ce signal faible afin qu'il soit quantifié avec plus de bits sur le CD. A la lecture, un gain inverse est appliqué. Ce système permets de gagner jusqu'a 7.5 dB de dynamique sur les signaux faibles. Au final, le gain total est de 6+7.5 dB soit 13.5 dB ce qui porte la dynamique totale du HDCD à 109,5 dB (96+13.5). Le nombre de bits qui auraient été nécéssaires pour traduire une telle dynamique est de 19. De même, pour retranscrire le signal à sa juste valeur, il faudra utiliser un convertisseur numérique/analogique (DAC) de 20 bits, car les DAC de 19 bits n'existent pas. Ceci a fait dire à beaucoup que le format HDCD était un encodage sur 20 bits, hors comme on viens de le voir, il n'en est rien, il s'agit d'un mécanisme ingénieux qui permets d'avoir presque l'équivalent de 20 bits en dynamique.
2- Pour étendre la bande passante, le problème est plus complexe. Difficile en effet de s'affranchir du mur constitué par le théorème de Shanon/Nyquist qui fixe la limite à la moitié de la fréquence d'échantillonnage, c'est à dire ici 44.1 Khz / 2 soit 22.05 Khz. L'idée des ingénieurs est alors double, d'une part essayer de se rapprocher le plus possible du 22.05 Khz (alors que le CD est traditionnellement filtré autour de 20 Khz), d'autre part essayer de trouver des filtres numériques adaptés qui donnent, subjectivement, une impression de bande passante plus large. Pour ce faire, l'encodeur HDCD détermine en temps réel, en fonction du contenu du signal, le meilleur filtre à appliquer pour accomplir les objectifs plus haut. Le meilleur filtre est choisi dynamiquement parmi un panel de filtres prédéfinis. Il s'agit ici de filtres numériques FIR qui ne dégradent pas le signal original par des rotations de phase ou du bruit. Le délai de groupe est identique pour chacun des filtres de manière à ne pas dénaturer la globalité du signal. Le filtre choisi à un moment donné pour l'enregistrement sera ensuite appliqué à la lecture.
3- Pour réduire la distorsion à faible niveau, les ingénieurs on l'idée de mélanger un bruit aléatoire haute fréquence au signal original. Ceci a mathématiquement pour effet de réduire statistiquement l'imprécision de mesure à bas niveau (on réduit l'erreur de quantification). L'inconvénient est que cela augmente le bruit à haute fréquence, le pari étant ici de dire que ces fréquences seront moins perceptibles et donc que globalement l'effet sera positif pour le contenu musical. Ce principe, connu sous le nom de "Noise Shaping" sera ensuite repris pour bien des enregistrement de CD normaux. Il n'y a point besoin de décodage ici.

Pour que les points 1 et 2 soient possible, il est nécessaire de passer une information vers le décodeur final pour lui dire quels signaux forts ont été compressés, quel est le gain appliqué sur le signal faible à un moment donné et quel filtre FIR appliquer en sortie. La quantité d'information à transmettre étant faible, l'idée est alors d'encoder cela dans le 16eme bit du CD, le bit de poids le plus faible, celui qui a le moins d'incidence sur le signal. Pour ce faire, un algorithme encode les informations via ce bit, mais pas de manière continue. L'information est suffisament faible pour que quelques périodes d'échantillonnage suffisent. L'intervalle d'encodage est variable avec un facteur de variation aléatoire pour éviter de trop perturber le signal. Au final, cet encodage n'est pas perceptible même pour une machine qui ne décode pas le HDCD. L'important ici est de constater que ce bit ne transporte pas la modification du signal en lui-même mais uniquement les informations qui indiquent au décodeur ce qu'il doit faire.

La lecture

Les disques HDCD peuvent être lu en HDCD ou en qualité standard.
Pour le standard, pas de problème, n'importe quelle lecteur CD, LD ou DVD vous lira le disque en 16 bits/ 44.1kHz avec un son de qualité grâce à la qualité supérieure du master d'origine et au principe de noise shaping vu plus haut.
Pour la lecture en HDCD, plusieurs cas de figures:
- platine CD ou DVD normale avec sortie numérique connecté à un décodeur numérique externe décodant le HDCD
- platine CD ou DVD normale avec sortie numérique connecté à un préampli disposant d'un décodeur HDCD
- platine CD ou DVD ayant d'origine le décodage HDCD.
Sur une platine normale, qui ne dispose pas de l'HDCD, on l'a vu, la lecture se fera traditionnellement en 16 bits/44.1kHz. En HDCD, le décodage vas permettre d'ajouter de la finesse, de la dynamique et d'étendre la bande passante subjective.

Marketing

Tout d'abord, la grande qualité des CD HDCD est la double compatibilité. Un CD HDCD pouvant être lu comme un disque normal sur toutes les platines CD, et un lecteur HDCD pouvant lire les CD normaux.
Ensuite, Atlantic Technology, qui a commercialisé le procédé à été intelligent, plus que DTS en tout cas. La logique a été: "Pour que cela marche, il faut du soft". La politique a donc été de faire prioritairement un maximum de CD sous ce format en collaboration avec tous les éditeurs. Les machines HDCD étant rare et dans des marques peu connu du grand public. Maintenant, le catalogue étant important et les disques diffusés chez les gens (qui ne savent d'ailleurs même pas que des disques qu'ils ont chez eux sont spéciaux), il est plus facile de convaincre les grands constructeurs et le public.
Le procédé HDCD et tous les droits associés sont aujourd'hui la propriété de Microsoft Corporation.