Un meilleur son dans votre poste grâce au DAB+, vraiment ?

On nous assure que le DAB+ c’est le turfu 🚀, c’est la révolution dans tes oreilles 🎧 au niveau de la qualité. Ok mais allons ouïr (et surtout mesurer 🩺) ceci en comparant une station de radio 📻 qui émet à la fois en FM, DAB+ et sur le web.

Il y a quelques jours, j’ai fait une rapide mesure sur la station de radio Evasion que je peux capter de chez moi en FM, DAB+ et via le web. J’avais alors twitté ceci :

Les résultats m’ayant un peu étonné, j’ai voulu approfondir avec ce présent article, en partageant le protocole de mesure.

La radio FM

La modulation de fréquence est un procédé analogique assez ancien de transport d’une information. En radio broadcast chaque station dispose une petite portion dédiée du spectre electro-magnétique (la “bande FM”, dite VHF - bande II), qui va de 87.5 MHz à 108 MHz, que le CSA lui attribue. Cette largeur de bande vaut 150 kHz (±75 kHz autour de la fréquence centrale). De part sa technique de modulation, et sa répartition dans le spectre, une radio FM dispose d’une bande passante maximale de 15 kHz utile par canal. Un traitement de son en amont de la modulation est obligatoire pour ne pas dépasser 15 kHz en limite supérieure, et peut être aussi quelques dizaines de Hz en limite inférieure.

Le spectre audible pour l’oreille humaine allant de 20 Hz (très grave) à 20 kHz (très aigu), la radio FM ne permet donc pas de restituer l’intégralité de ce spectre.

Pour l’anecdote, les radios en modulation d’amplitude disposent d’une largeur de bande de 9 kHz, ce qui réduit la bande passante à 4.5 kHz. La technologie FM améliore donc la qualité d’écoute non seulement en triplant la bande passante, mais aussi en étant beaucoup moins sensible aux interférences.

Pour mieux comprendre cette limite des 15 kHz en FM, un exemple de cette radio avec un joli blanc à l’antenne, mais qui nous permet de mettre en évidence son signal avant démodulation :

Mise en évidence du spectre d’une radio FM

Tout comme en AM, le signal est symétrique par rapport à sa fréquence centrale, analysons la moitié supérieure :

  • ±0 kHz, 100.700 MHz : porteuse principale avec le signal M “middle”, signal unique si mono, ou somme des signaux L+R si stéréo (30 Hz à 15 kHz)
  • ±19 kHz, 100.719 MHz : sous porteuse indiquant que la station est stéréo (et qu’il y aura un signal S “side”)
  • ±38 kHz, 100.738 MHz : si la station est stéréo, signal S “side” de la différence des 2 canaux (L-R) (de +23 kHz à +53 kHz)
  • ±57 kHz, 100.758 MHz : sous porteuse RDS (codage numérique de métadonnées, sur ±2.4 kHz)

Radio → Traitement → Modulateur/Amplificateur → Antenne émettrice → AIR → Antenne réceptrice → Récepteur/Démodulateur

Le DAB+ ?

Le DAB+ est peut-être le futur de la radio par voie hertzienne mais sa technologie n’est pas récente. Après quelques tests en 2007, il a été lancé officiellement en France en 2014 dans quelques métropoles. Ce n’est qu’en 2018 que les grands groupes privés et Radio France s’y mettent sérieusement. Fin 2019, le seuil de 20 % de couverture de la population ayant été franchi, la loi oblige les constructeurs de poste de radio à intégrer cette technologie. Enfin en octobre 2021 l’apparition de 2 nouveaux multiplex “metropolitains” va encore accroitre la couverture et l’offre proposée. À ce jour près de 80 radios sont audibles en Île-de-France avec le DAB+.

Oui mais on nous promet une meilleure qualité “HD”, “digitale” 👆, “sans grésillement” 🌬. Je me méfie. Le numérique n’est pas synonyme de meilleure qualité, c’est juste une manière différente de stocker ou de transporter de la donnée.

En DAB+, le flux est numérique comme en webradio. Le transport se fait par voie hertzienne comme en FM, mais à la différence de la FM, plusieurs radios se partagent une même fréquence doivent émettre un flux de donnée commun dit “multiplexé”. La bande DAB+, dite VHF - bande III, va de 180 MHz à 230 MHz L’encodage est imposé, il doit être en AAC+ (he-aac), généralement à 88 kbps.

Radio → Encodage → Modulateur/Amplificateur → Antenne émettrice → AIR → Antenne réceptrice → Récepteur/Décodeur

Le multiplexage permet de mutualiser les ressources, le spectre, les antennes, mais aussi les problèmes. Quand le multiplex est cassé, c’est l’ensemble des radios le composant qui n’émettent plus. En préparant cet article, le multiplex “Paris étendu” ne marchait qu’à moitié :.

Webradio

Dans une webradio, le codage de l’information est aussi numérique comme en DAB+. Le transport utilise internet et se fait donc par cable ou en wifi, par l’intermédiaire de votre fournisseur d’accès à internet.

Le choix de l’encodage n’est pas imposé, chaque station est libre d’utiliser le débit et l’encodage qu’il veut. On retrouve donc des flux au format mp3, d’autre en aac, variant généralement de 64 kbps à 192 kbps. Techniquement on pourrait avoir le même flux pour le DAB+ et la webradio.

Notes:

  • Pour un codec donné, plus le débit est haut, meilleure est la qualité.
  • Le codec aac est à débit équivalent de meilleure qualité que le mp3.
  • On peut donc avoir du très bon mp3 et du très mauvais aac … et vice et versa

Radio -> Encodage -> FAI -> NET -> FAI -> Récepteur/Décodeur

Protocole de mesure

Pour une mesure précise il faut comparer ce qui est comparable, à savoir des piges correspondant à la même émission, au même instant sur les 3 modes de transmission. On va utiliser une connexion internet pour récupérer la webradio, et 2 clés SDR pour capter FM et DAB+ en quasi parallèle. Une fois les 3 piges enregistrées, on les convertira en pcm. Comme chaque mode de transmission a sa latence propre et mes scripts ne lançant pas les captations pile au même instant, il faudra sans doute les recadrer temporellement. Enfin on utilisera les outils ffmpeg et Audacity pour visualiser les résultats de réponse en fréquence.

Dans mon premier test avec Evasion, les piges n’étaient pas isochrones, et peut être même que le contenu n’était pas le même (décrochage local ?). Dans ce nouveau test, j’ai choisi OÜI FM qui émet à Paris en FM sur le 102.3 MHz, en DAB+ sur le canal 11B (218.640 MHz), et sur internet avec un flux mp3 à 128 kbps et un flux aac à 64 kbps. Ça sera aussi l’occasion de comparer ces deux ci.

Captation des webradios

#!/usr/bin/env bash
##
# note: sous MacOS la commande timeout n'existe pas, on va background+sleep+kill les processus ...
##

# ouifm-high.mp3: Audio: mp3, 44100 Hz, stereo, fltp, 128 kb/s
wget https://stream.ouifm.fr/ouifm-high.mp3 &
PID_HIGH="$!"

# ouifm-low.aac: Audio: aac (HE-AAC), 44100 Hz, stereo, fltp, 65 kb/s
wget https://stream.ouifm.fr/ouifm-low.aac &
PID_LOW="$!"

# on stoppe la capta au bout de 2 minutes
sleep 120
kill $PID_HIGH
kill $PID_LOW

# conversion en linéaire
ffmpeg -y -i ouifm-high.mp3 ouifm-high.wav
ffmpeg -y -i ouifm-low.aac  ouifm-low.wav

# le aac est plus long, trimons le début pour être "à peu près" raccord...
ffmpeg -ss 00:00:04 -i ouifm-low.wav ouifm-low-tmp.wav && mv ouifm-low-tmp.wav ouifm-low.wav

Captation du DAB+

welle-cli -c 11B -D

Cette commande enregistre l’ensemble des 13 stations du multiplex, pas optimal mais pas trouvé mieux. On récupère alors le fichier nommé du nom du service : OUI FM.wav

cf. article Enregistrer un multiplex de radio DAB+

Captation de la FM

J’ai tenté la commande suivante :

rtl_fm -f 102.3M -g 16.3 -M wbfm > ouifm.pcm
ffmpeg -f s16le -ar 32k -ac 1 -i ouifm.pcm ouifm.wav

…mais la qualité de la démodulation était très mauvaise, pas de stéréo, un ronflement (mauvaise suppression de la porteuse ?), pas de 48 kHz (même si théoriquement ce n’est pas nécessaire)

J’ai finalement simplement utilisé la fonction d’enregistrement de l’application graphique GQRX qui donne de bien meilleurs résultats à l’écoute.

Les résultats

Deux visualisations différentes, la première issue de la commande ffmpeg suivante:

ffplay -f lavfi 'amovie=pige.wav, asplit [a][out1]; [a] showcqt [out0]'

En abscisse de gauche à droite le temps, en ordonnée du bas vers le haut la fréquence croissante. Le son étant une musique de rock’n’roll 🤘, chaque trait vertical correspond à un coup de caisse claire 🥁 :

Pige FM: atténuation forte au delà de 15 kHz faisant apparaitre progressivement le bandeau noir du haut

Spectre FM

Pige DAB+ (he-aac / 88 kbps): l’atténuation est plus haute dans le spectre

Spectre DAB+

Pige web high (mp3 / 128 kbps): ce n’est plus une atténuation mais un hachoir 🪓 !

Spectre web mp3

Pige web low (he-aac / 64 kbps): pas d’atténuation franche sur ce flux sensé être “bas débit”

Spectre web aac

Et maintenant, toujours sur les mêmes piges, les résultats donnés par l’option “Analyser le spectre” de Audacity :

Pige FM : toujours la grosse atténuation après 15 kHz

Spectre FM

Pige DAB+ (he-aac / 88 kbps): le son va presque jusqu’à 20 kHz

Spectre DAB+

Pige web high (mp3 / 128 kbps): toujours le hachoir vers 16.5 kHz 🪓 !

Spectre web mp3

Pige web low (he-aac / 64 kbps) : paradoxalement, ce flux “bas débit” monte même au dessus de 20 kHz ⛰️

Spectre web aac

Conclusion

Il est difficile de faire un bilan gagnant/perdant. Il y a beaucoup de paramètres à prendre en compte et en vrai je ne sais pas interpréter ces graphiques 📉, mais on a quand même appris quelques trucs 💡.

N’oublions pas qu’en amont de la chaine d’émission, il y a aussi à prendre en compte la qualité des sources sonores. Il existe des radios peu scrupuleuses 😈 qui peuvent diffuser sur l’air du mp3 tout pété…

Ensuite est-ce que la qualité du son ne se résume qu’à sa largeur de bande passante ? On sait que les compressions type mp3/aac retirent “intelligemment” certaines fréquences moins essentielles donc théoriquement une même qualité est perçue pour une bande passante réduite…

En revanche ce qui a été constaté et mesuré est que le DAB+ monte à 20 kHz quand la FM montait à 15 kHz quand la AM montait à 4.5 kHz, on a enfin le spectre audible à peu près respecté 👂👍.

Le DAB+ et les webradios ont l’avantage de ne pas être sensibles aux parasites. Si vous recevez de moyennement à bien le signal d’origine, vous aurez l’intégralité des données. En AM/FM, la qualité peut être plus graduelle suivant les conditions de réception.

Enfin j’étais très étonné de cette visualisation tranchante du flux web mp3. On apprécie d’autant plus le respect en fréquence du codec aac (plus moderne aussi).

La conclusion est que oui le DAB+ c’est (un peu) mieux que la FM, la restitution dans les aigus est mieux respectée et les parasites electromagnétiques n’existent plus. Ils sont néamoins remplacés dans une moindre mesure par les artefacts de la compression numérique. D’un autre côté les webradios sont libres de leur encodage donc la qualité peut être bien meilleure comme bien pire que le DAB+, mais elles sont conditionnées à un abonnement à internet donc ne sont pas totalement gratuites.

Au final, le DAB+ par sa qualité audio, ses données associées plus abouties que le RDS, son ergonomie (plus besoin de retenir une fréquence), son côté gratuit et anonyme, font peut- être bien de cette technologie la radio du futur. Mais saura-t-elle enfin trouver un public autre que les technophiles ou les gens du milieu ? N’est-elle pas arrivée avec 15 ans de retard ? L’avenir le dira. Nous avons bien vecu en 5 ans le passage à la TV numérique, c’est donc aussi possible pour la radio … qui réexploite les anciennes fréquences de la TV analogique ♻️.

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