Concours externe assistant ingénieur de recherche et de formation Session 2011

Etude d'un lecteur MP3

Le format MP3 :

La production, la transmission et le stockage de données numériques nécessitent souvent une
compression de ces données pour pouvoir limiter la taille des fichiers générés. C'est le cas des
fichiers audio pour lesquels il existe plusieurs formats de compression. Le plus connu et l'un des plus
utilisés est le format MP3 (MPEG-1/2 Audio layer 3).
Le format MP3 est issu d'un projet initial européen lié au programme de recherche EUREKA. Le
groupe de travail MPEG, constitué de spécialistes appartenant à des organismes de normalisation
telles que l'ISO (International Standard Organization) et l'IEC (International Electrotechnical
Commission) rédige et publie ses spécifications entre 1992-1993.

Principe de la compression MP3:

C'est un algorithme de compression avec pertes. Cela signifie que le spectre des fréquences audio
original n'est pas restitué dans son intégralité. L'algorithme détermine et supprime les fréquences
supposées inaudibles pour une grande majorité d'auditeurs dans des conditions d'écoute normales.
En effet, l'oreille humaine est capable de discerner, en moyenne, des sons entre 0,02 kHz et 20 kHz,
sachant que sa sensibilité est maximale pour des fréquences comprises entre 2 et 5 kHz (la voix
humaine). La compression consiste donc à analyser les composantes spectrométriques du signal.
audio et à leur appliquer un modèle « psycho acoustique » pour ne conserver que les sons

«audibles». Si par exemple, deux fréquences d'intensités différentes sont proches l'une de l'autre,
l'algorithme pourra choisir de supprimer celle qui sera la moins bien perçue par un maximum
d'auditeurs. Les fréquences supprimées ne pourront plus être reconstituées au moment du
décodage. Cette technique permet d'obtenir des taux de compression intéressants {1 :10 en
moyenne par rapport à un fichier WAV) tout en conservant une qualité sonore convenable. Pour
diminuer la taille d'un fichier audio, il faut donc augmenter le taux de compression des données mais
ceci engendrera obligatoirement une dégradation de la qualité sonore.

Caractéristiques principales:

Le standard iso/iec 11172-3 (mpeg-1 audio) précise que la fréquence d'échantillonnage du signal
audio peut être de 32 kHz ou de 44,1 kHz ou de 48 kHz, que ce signal peut être monophonique {1
canal) ou stéréophonique (2 canaux) et que les débits binaires (bit rate) doivent être compris entre
32 kbits/s et 320 kbits/s. Rappelons que la fréquence d'échantillonnage définit le nombre
d'échantillons du signal analogique prélevés à la seconde pour être numérisés. Le débit binaire
indique, dans ce cas, la quantité de données numériques nécessaires pour coder une seconde du
signal numérisé. Il est donc fonction de la fréquence d'échantillonnage, du nombre de canaux et de
l'échelle de quantification du convertisseur analogique-numérique. Il est souvent exprimé en bits par
seconde et peut également être donné en kilo bits par seconde. Le kilo représente alors
effectivement 1000 et non 1024 comme fréquemment en informatique, notamment pour définir les
tailles de fichiers de données. Pour une bonne qualité audio, ce débit doit être important. Il sera au
contraire faible si l'on souhaite réduire la taille du fichier. A titre d'exemple, le format CD audio a
une fréquence d'échantillonnage de 44,1 kHz, il utilise deux canaux (stéréo) et a une échelle de
quantification de 16 bits.

Les codecs MP3 :

La norme ne donne pas de spécifications précises sur l'encodeur MP3 mais présente des exemples de
modèles psycho acoustiques. Il existe donc de nombreux encodeurs MP3 plus ou moins performants
en fonction de l'algorithme utilisé. Le décodage en revanche, est plus clairement défini ce qui signifie
que le fichier après décompression est similaire quel que soit le décodeur. L'encodeur et le décodeur
(Codecs) peuvent être logiciels ou matériels. On trouve ainsi dans la plupart des lecteurs MP3, des
circuits spécifiques permettant de décompresser les fichiers enregistrés.

Exemple d'un lecteur MP3 (objet de l'étude):

On se propose de faire l'étude d'un lecteur MP3 simple dont le schéma électrique, donné à l'annexe
1, a été trouvé sur un site internet (http:ljwww.teuthis.com). Le montage comprend trois circuits
principaux: un microcontrôleur Microchip PIC16F877 (annexe 3), une mémoire flash (annexe 2), un
décodeur MP3 VS1001k (annexe 4). Le microcontrôleur et la mémoire flash sont reliés par 17 fils
tandis que l'interface entre le microcontrôleur et le décodeur MP3 comprend 9 fils. La carte flash est
formatée en FAT32 et contient les fichiers MP3 préenregistrés. Le microcontrôleur lit séquentiellement chaque fichier MP3 et transfère les données vers le décodeur à chaque requête de ce dernier. Le décodeur restitue les enregistrements sur deux sorties analogiques qui peuvent être reliées directement à des écouteurs.

Le questionnaire ci-après portera sur :

• La compression audio (6 questions de connaissances générales)
• L'étude du montage (11 questions d'électronique numérique et de micro informatique)
• Les rajouts possibles pour améliorer le montage (10 questions d'électronique analogique)

La compression audio :

1- D'après les explications qui viennent d'être données, quel est le débit binaire en kbits/s du
format CD audio (détaillez votre calcul)?

3- Quelle est la taille en (méga octets) d'un même enregistrement audio d'une minute au
format CD audio et au format MP3 à 160 kbps ?
4- Quelle est la bande passante maximale théorique du signal audio que l'on peut

échantillonner à 44100 Hz sans perte d'information (expliquez votre réponse) ?
5- Est-ce cohérent avec la bande audio justifiez votre réponse)?
6- Si pour l'acquisition, on utilise un convertisseur analogique numérique unipolaire de 16 bits
avec une tension de référence de 3,3 volts, quelle sera sa résolution?

annexe 1