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L'onde carrée à la loupe
écrit le 22/10/2007, révisé le 25/01/2016

Il plane certains fantasmes sur la forme réelle que pourrait avoir l'onde carrée générée par le CPC. Je ne parlerai pas ici des aspects techniques qui permettent de générer des sons, ni de ce qu'on peut espérer obtenir comme timbre, ou encore parler de l'état de l'art des sons que les demomakers arrivent à obtenir, des possibilités des samples... non.

Je montrerai simplement sur cette page ce à quoi ressemble physiquement le signal sonore du CPC. On pourrait aller assez loin sur le sujet, mais je préfère m'en tenir aux observations que j'ai personnellement pu faire à l'aide d'un oscilloscope.

Pourquoi un oscilloscope ?
Il n'est pas forcément utile pour faire de la musique de savoir absolument à quoi ressemble le signal de ce qu'on joue, pourvu qu'on en apprécie le timbre. Mais on peut se demander pourquoi les émulateurs n'ont pas toujours le même rendu sonore que le CPC, même lorsque celui-ci est branché à un ampli.

Une mauvaise méthode d'observation serait d'utiliser une carte son PC en utilisant ses entrées pour observer le signal. En effet, une carte son aura la fâcheuse tendance à déformer le signal. Notamment, en ne prenant pas les très basses fréquence (le CPC peut descendre en dessous de 16Hz), en ramenant à zéro un signal stable mais non nul, en centrant le signal (alors que celui du CPC ne descend pas en dessous de 0), en filtrant certaines fréquences parasites, essentiellement autour de 50Hz (pour limiter le bruit lié à l'alimentation du PC) et éventuellement en subissant des niveaux de rapport signal/bruit pas toujours glorieux des cartes PC.

L'oscilloscope peut certes avoir des défauts, des limites techniques, mais il est avant tout conçu pour représenter un signal, c'est son métier. En fait, si on doute de ses résultats, on n'aurait absolument pas de raison de croire ce qu'on lit sur un échantillon venant d'une carte son.

Les images présentées ci-dessous sont ici pour casser un vieux fantasme : certains racontent au détour des ruelles sombrement éclairées que le son du CPC ne serait pas vraiment carré. En fait, les faiblesses de l'électronique, l'âge et la chimie des composants, la rusticité des condensateurs stockant puis libérant une charge déformerait l'onde carrée (normalement créée par des états hauts puis bas) distribuée par le cher AY de notre CPC, au point que l'oreille y verrait une nuance audible.

Observations
Les images présentées ci-dessous sont des photographies d'écran d'un oscilloscope analogique branché sur l'une des voies du CPC (les signaux gauche et droit donnant heureusement les mêmes résultats), avec des sons émis en basic sur les canaux 1 ou 4 (gauche ou droit) à partir de la commande SOUND. Les observations portent sur la forme du signal de base, ainsi que sur la forme du bruit.

oscilloscope onde carrée sur CPC oscilloscope onde carrée sur CPC (zoom)
SOUND 1,100,15,1000
SOUND 1,10,15,1000

Sur une période de 100 (environ 622Hz), on observe une onde parfaitement carrée. Si on choisit une période 10 fois plus courte (environ 6,2kHz), on peut observer que l'attaque de la courbe est déformée, comme ralentie à l'approche du plateau. La déformation mesure environ un dixième de la demi-période (environ 125kHz si on ramène cette durée à une fréquence). Les experts des Sucres en Morceaux sont à la recherche d'un spécimen humain capable d'entendre une si faible distorsion.

oscilloscope bruit sur CPC oscilloscope bruit sur CPC (zoom)
SOUND 1,0,15,1000, , ,31
SOUND 1,0,15,1000, , ,1

Le même test a été réalisé sur un bruit. Le but était de voir s'il y existait un rapport cyclique, ce qui semble être le cas. En fait, on a bien des changements de valeur à des intervalles réguliers, intervalles d'autant plus rapprochés que la valeur du paramètre bruit (de 1 à 31) est petit. en revanche, l'effet aléatoire semble venir du fait que la valeur (haut ou bas) de ce volume est aléatoirement choisie à chaque période. Lorsque le paramètre est à 1, on observe les mêmes distorsions que précédemment.

Conclusion
Arrêtez de fantasmer ! Le CPC a une oscillation vraiment bien carrée, aussi carrée qu'il est possible de l'entendre. L'oreille humaine n'est pas capable de distinguer une différence entre une onde carrée et les distorsions observables sur un CPC, même vieux de 20 ans.

Les défauts observables sur un émulateur PC peuvent "théoriquement" et à priori être de plusieurs natures. Tout d'abord, le respect des niveaux de volume du CPC, cela n'altérera le timbre que dans le cas des enveloppes de volume utilisées à des fréquences élevées (dits "sons hard").

D'autre part, lorsqu'une carte son utilise une fréquence de 44kHz pour diffuser une fréquence carrée de 16kHz, on obtient un parasite cyclique que je suppose à une fréquence de 2,75kHz (mais je ne suis pas certain de mon calcul). C'est le même genre de rapport cyclique qui permet d'avoir une déformation si jolie en attribuant une déformation "hard" à un son de fréquence proche. On crée donc un parasite d'autant plus lent (donc audible) que la fréquence jouée est proche de la fréquence de coupure (ou de son multiple).

Il est évident qu'aucun émulateur ne s'amusera à essayer de reproduire la distorsion observé pour la principale raison que les cartes son devraient émettre un signal de 125kHz pour restituer le défaut observé.

Cet article mériterait d'être complété par d'autres mesures réalisées à l'oscilloscope, montrant notamment les valeurs précises des différents niveaux de volume du CPC, la valeur de volume utilisée pour le canal centre sur chaque voie gauche et droite, les effets pervers de certains mixages ou effets spéciaux sur le AY.