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Le son par Bluetooth: le diable est dans les détails

22/3/2017

Toujours plus de casques d’écoute Bluetooth d’excellente qualité arrivent sur le marché, et la technologie continue de se développer, mais faites attention à ses lacunes. Tous les appareils ne sont pas adaptés à chaque standard. Cet article vous montre ce à quoi vous devez faire attention.

Le Bluetooth est un excellent moyen de diffuser simplement de la musique sans connexion filaire. Depuis qu’Apple a supprimé le raccordement de ses casques d’écoute, le marché des casques Bluetooth se développe encore plus rapidement. Pratiquement toutes les marques en proposent, y compris les fabricants reconnus comme Sennheiser, Beyerdynamic ou AKG, même si leur clientèle snobe cette technologie.

En effet, la transmission sans fil de musique a mauvaise réputation auprès des amateurs de HiFi, ce qui est facile à comprendre: elle nécessite une compression des données qui diminue forcément leur qualité. Mais si les casques Bluetooth se vendent comme des petits pains, la qualité audio n’est certainement pas si horrible que ça, n’est-ce pas? Et est-il possible de l’améliorer?

Oui…et non! :)

Nous vous livrons l’essentiel de la réponse dans le premier paragraphe, puis nous allons plus en détail dans la suite de l’article.

Ce qu’il vous faut savoir

Le Bluetooth a été développé avec les objectifs suivants:

une consommation électrique moindre
une moindre puissance de calcul nécessaire au codage et au décodage

Ces deux points illustrent déjà clairement la raison pour laquelle les adeptes de la HiFi tournent le dos au Bluetooth: la qualité du son n’a jamais été la priorité ultime des développeurs. La capacité de transmission (que l’on appelle aussi la bande passante) du Bluetooth est également limitée. La musique doit nécessairement être compressée.

Les éléments suivants jouent un rôle lors de la transmission par Bluetooth:

Les capacités et la classe de la source
Les capacités et la classe du récepteur
La distance à laquelle se trouvent les deux appareils

Qu’entend-on par «capacités»? Les codecs pris en charge. Le transfert ne peut se faire que si les deux appareils prennent en charge l’algorithme souhaité, faute de quoi le plus petit dénominateur commun est utilisé.

La classe prise en charge par l’appareil est tout aussi importante.

La classe 1: max. 100 mW, portée typique de 100 m en extérieur et à l’intérieur des bâtiments
La classe 2: max. 2,5 mW, correspond à une portée de 10 m à l’intérieur des bâtiments et d’environ 50 m en extérieur
La classe 3: max. 1 mW, porté d’environ 1 mètre en présence d’obstacles, et de 10 m en extérieur

Le Sennheiser Momentum 2 Wireless ou le Parrot Zik 3 ont par exemple une portée de classe 1. En réalité, ils utilisent probablement 3 ou 4 mW – légèrement plus que ce que le permet la classe 2. Les 100 mW maximaux autorisés ne sont donc pas constamment transmis directement dans le casque.

Le populaire QC35 de Bose a une puissante portée de classe 2 qui bat largement celle du Sennheiser (de classe 1) et lui a valu des points lors de notre test. (Le smartphone de mon collègue Dimitri Pfluger, qui se trouvait 3 murs et 20 mètres plus loin, s’est tout d’un coup fait entendre.)

Les classes 1 et 2 sont donc relativement comparables, contrairement à la classe 3. Les appareils de la classe 3 sont des écouteurs qui économisent de l’électricité et réservent peu de place à la batterie. The Dash de Bragi en est un bon exemple. Il vous faut vous attendre à une portée réduite et à une faible autonomie de la batterie.

Les smartphones, notebooks et dongles fonctionnent avec toutes les classes; c’est l’appareil le plus faible qui la déterminera. Le casque, donc. Il vous faut connaître les capacités et la classe de votre appareil, car ils influencent la qualité de la transmission.

Le Codec: trois algorithmes sont couramment utilisés afin de transmettre des signaux audio par Bluetooth: SBC, aptX et AAC. Tous les appareils doivent prendre en charge SBC, car c’est le codec standard. aptX est très répandu, il est souvent employé par les smartphones sous Android. Outre SBC, les appareils sous iOS ne fonctionnent qu’avec AAC, et non aptX.

Le débit binaire: il est constamment redéfini par l’émetteur et le récepteur. Le codec SBC commence par un débit binaire moyen et essaie de l’augmenter. La force du signal du récepteur est un facteur limitant. En effet, le Bluetooth est un protocole bidirectionnel. Le gros des données passe certes de l’émetteur au récepteur, mais ce dernier doit accepter les paquets de données. S’ils contiennent des erreurs, il les renvoie. Le plus faible émetteur est pratiquement toujours l’appareil récepteur, c’est-à-dire le casque.

Vous pouvez augmenter légèrement le débit binaire en vous rapprochant de l’émetteur ou en éliminant les obstacles. Mais un appareil d’une portée de classe 3 ne deviendra jamais un appareil d’une portée de classe 1. Il en va de même des codecs: soit les deux appareils prennent en charge l’algorithme souhaité, soit ce n’est pas le cas.

Les critères à appliquer lors d’un achat

Tout cela vous semble bien compliqué? La situation a quelque peu évolué, et la qualité audio est à présent plus que correcte, voire vraiment bonne, surtout si l’on pense que ces casques sans fil sont la plupart du temps portés dans des environnements relativement bruyants. Si vous n’êtes pas prêt à investir plus de 400 francs, rares sont les appareils dont la qualité vous décevra vraiment.

Si vous souhaitez réellement optimiser votre expérience, vous savez à présent que vous pouvez jouer sur deux facteurs. Votre appareil doit-il fournir un son de la meilleure qualité possible ou être le plus compact possible (écouteurs intra-auriculaires)? Vous devrez choisir entre les deux. Une qualité de son optimale via Bluetooth sur une longue période et à quelques mètres de distance requiert un casque d’une portée de classe 1 ou 2. Les deux appareils doivent également utiliser les mêmes codecs puissants, AAC ou aptX.

De bonnes combinaisons:

Écouteurs

Bose QuietComfort 35

ANC, 20 h

Téléphone portable

Apple iPhone 7

32 Go, Noir, 4.70", SIM simple, 4G

L’iPhone et le Bose QC35: iOS prend en charge SBC et AAC. Le QC35 est également équipé de SBC et d’AAC. Une fois connectés, les appareils s’entendent automatiquement sur AAC.

Écouteurs

Sennheiser Momentum 2

ANC, 22 h, Sans fil

Écouteurs

Sennheiser Pxc 550

ANC, 30 h, Sans fil

Samsung Galaxy S7 et le tout nouveau casque Sennheiser PXC 550: les deux appareils sont dotés d’aptX.

Écouteurs

Sony Mdr-1000x

ANC, 20 h, Sans fil

Le MDR-1000X de Sony mérite d’être mentionné, car il fonctionne avec AAC et aptX. Il en va de même de l’ATH-SR5BT d’Audio-Technica.

Quelques notions de base

À l’origine, le Bluetooth a surtout été utilisé pour la téléphonie avec micro-casque : prendre et transférer des appels, discuter, raccrocher. Des profils ont été créés à cet effet: HSP («headset profile») pour l’audio et le HFP («hands free profile») pour les activités mains libres. La bande de fréquence du HSP est restreinte: il ne transmet pas les fréquences supérieures à 8 kHz, et seulement en mono. Cela suffit pour les conversations téléphoniques, mais pas pour écouter de la musique. Malgré leurs limites, de nombreux casques d’écoute actuels avec microphone intégré servant aussi à téléphoner sont dotés de HSP et HFP. Les conversations téléphoniques sont toujours transmises par HSP au destinataire (un smartphone, la plupart du temps).

Pour la musique, c’est surtout le profil A2DP («Advanced Audio Distribution Profile») qui nous intéresse. Il définit les règles nécessaires à une transmission de qualité. Sa transmission est unidirectionnelle. La bande passante se situe à 706,25 kbit/s depuis Bluetooth 2.0/2.1. L’EDR («Enhanced Data Rate») triple le débit binaire à 2,1 Mbit/s. Tous les casques d’écoute sur le marché fonctionnent avec celui-ci.

Les profils n’établissent cependant que les règles du jeu entre les appareils concernés. Comme je l’ai mentionné ci-dessus, le codec audio, mais surtout le débit binaire disponible, détermine la qualité du son. En réalité, au vu des nombreux obstacles et autres radiofréquences perturbatrices, il est souvent bien en deçà du maximum théorique.

Les codecs

SBC

SBC est le protocole standard utilisé pour le Bluetooth. Chaque appareil fonctionnant avec le profil A2DP doit connaître ce codec. SBC atteint un débit binaire maximal de 345 kbit/s (un CD audio non comprimé représente 44 000 échantillons × 2 canaux × 16 bits = environ 1400 kbit/s). SBC donne une très bonne qualité de son à des débits binaires élevés. Si le récepteur est faible (écouteurs intra-auriculaires), des obstacles ou la distance diminueront les débits binaires. Malheureusement, ceux des smartphones ne sont jamais communiqués.

L’algorithme du SBC est relativement simple. Il nécessite relativement peu de puissance de calcul afin de coder ou de décoder le son et a donc atteint ses objectifs premiers (modération et économie). La compression est toutefois facile à améliorer à l’aide de nouveaux jeux de puces, sans augmenter la consommation d’électricité.

C’est la raison principale pour laquelle les algorithmes d’aptX et d’AAC, plus efficaces, sont favorisés.

aptX

aptX est un protocole propriétaire dont il faut acheter la licence. aptX a débuté sous la forme d’une version développée dans une université. En 2010, il a été repris par CSR et commercialisé avec succès. CSR appartient depuis fin 2015 à l’entreprise Qualcomm, qui fournit les processeurs (Snapdragon) et puces mobiles de nombreux smartphones sous Android; dont la plupart sont d’ailleurs dotés d’aptX. Vous en trouverez une liste ici (en anglais).

Le codec fonctionne avec un débit binaire fixe de 354 kbit/s. Il peut paraître rigide, mais il a ses avantages: la qualité audio est soit excellente, soit inexistante. Il n’y a pas d’entre-deux. Les débits binaires nécessaires à aptX doivent impérativement être combinés à l’EDR («Enhanced Data Rate»). aptX promet une transmission de données «de qualité semblable à un CD».

aptX HD

aptX HD a été présenté début 2016. Il rompt la dynamique avec 24 bits et une fréquence d’échantillonnage de 48 kHz. Qualcomm prétend d’ailleurs qu’il est supérieur au CD. (La question de savoir si plus de 16 bits et de 44,1 kHz en valent la peine fera l’objet d’un article subséquent.) aptX HD nécessite une bande passante fixe de 576 kbit/s. Les appareils équipés d’aptX HD sont encore rares. C’est par exemple le cas des smartphones G5 et V20 de LG et du casque Tone Platinum de LG.

AAC

AAC est lui aussi un format compresseur. Il a été développé par Motion Picture Experts Group (MPEG), un groupe de travail à l’origine des normes MPEG. AAC a été conçu comme successeur du MP3. Qui aurait cru que ce dernier aurait une aussi longue vie? AAC dépasse MP3 à tous les égards: sa qualité audio est acceptable dès 96 kbit/s, et généralement indiscernable de celle du CD à partir de 128 kbit/s. Son grand avantage par rapport au MP3 est qu’il prend en charge jusqu’à 48 canaux.

AAC est le codec standard de YouTube, et il domine sur les appareils d’Apple. Dans l’ensemble, il est toutefois légèrement moins répandu qu’aptX.

Et pourquoi pas le MP3?

Le protocole A2DP est anormalement compatible avec n’importe quel codec. En théorie, continuer à utiliser le MP3, un format tout de même dominant, ne pose aucun problème. Les débits binaires suffiraient amplement. La stack de bluez (en anglais) de Linux serait par exemple près à utiliser le MP3. Malheureusement, personne du côté du récepteur ne l’a appliqué, et la situation ne changera pas, car il manque de capacités multicanales, et son efficacité laisse à désirer. Le dernier brevet relatif au MP3 a expiré en avril 2017. Dommage…

Sony et LDAC

Sony est l’un des rares fabricants à avoir saisi l’opportunité de développer son propre codec Bluetooth, LDAC, avant de l’intégrer à ses produits. Le MDR-1000X, mentionné ci-dessus, fonctionne non seulement avec aptX et AAC, mais aussi avec LDAC. Combiné à un smartphone Xperia, il atteint un summum technique.

Samsung et UHQ BT

Samsung a elle aussi développé une technologie de transfert propriétaire nommée UHQ BT. Les casques compatibles, tels que le Level On EO-PN920, peuvent transmettre à 24 bits et à 96 kHz avec un smartphone Galaxy. Il s’agit d’une innovation pour la technologie Bluetooth.

Le vrai problème: la double compression

Lors de la transmission de contenu audio par Bluetooth, les signaux audio sont généralement comprimés deux fois. Sur le smartphone, le matériel source est généralement présent sous forme de données AAC ou MP3. Elles sont décompressées avant la transmission Bluetooth et passées à travers le DSP (processeur de signal numérique) pour être ensuite à nouveau codées en SBC, AAC ou aptX. L’appareil qui sert de récepteur final les décode et les envoie au transducteur acoustique via le convertisseur numérique/analogique (CNA).

L’idée de comprimer deux fois les données n’a pas de sens. Ça revient à scanner une page, l’imprimer, scanner l’impression, puis la réimprimer. Le résultat ne peut qu’être pire que l’original. Certes, mais à quel point? On ne peut que tenter de limiter la perte de qualité en améliorant les codecs. C’est pourquoi il vaut mieux avoir des débits binaires très élevés à la source ou utiliser du matériel lossless.

L’idéal serait de transmettre les données non traitées au mode passthrough si elles sont par exemple déjà dans le bon format à un débit binaire compatible. Les audiophiles rêveraient d’une transmission intacte du son à partir d’une source lossless.

L’amplificateur et le CNA sont à présent dans l’appareil final

Les casques sans fil se distinguent fondamentalement des autres par le fait que les signaux peuvent et doivent à présent y être décodés. Ils doivent donc être dotés d’un amplificateur et d’un CNA, ce qui a ses bons comme ses mauvais côtés. Malheureusement, les audiophiles doivent souvent investir des centaines voire des milliers de francs dans ces bijoux technologiques. Il n’y a pas de limite de prix. Cette jolie pièce est tout simplement une aubaine.

D’un autre côté, la source est généralement un smartphone qui doit être doté d’un amplificateur et d’un CNA. De nombreux fabricants de smartphones livrent d’excellentes performances en termes de sortie audio. Mais je pense que des entreprises comme AKG, Sennheiser ou Beyerdynamic ne font aucun compromis quant à leurs composants. Par ailleurs, les fabricants des appareils finaux maîtrisent à présent l’ensemble de la chaîne CNA → amplificateur → diffusion, ce qui peut aussi être un avantage.

Le Bluetooth 5.0

On s’attend à ce que Bluetooth 5.0, lancé en décembre 2016, apporte une nette amélioration. Il promet une portée quatre fois plus grande et une vitesse deux fois plus élevée. Mais attention: ses promesses se basent comme d’habitude sur une comparaison entre les très mauvais résultats des versions ultérieures et les performances maximales de Bluetooth 5.0. Ce sont les spécifications suivantes qui importent: Bluetooth 4.x + EDR a transmis environ 2 MBit/s (maximum théorique). Bluetooth 5 + EDR et ses 3 MBit/s ne sont donc qu’environ 50 % plus rapides (Source: spécifications de Bluetooth 5.0, p. 86) (en anglais).

La portée nettement supérieure de Bluetooth 5.0 avantagera particulièrement les écouteurs intra-auriculaires. Et 3 MBit/s ouvrent la voie à d’encore meilleurs codecs. Il faut simplement vouloir les créer. Les premiers appareils dotés du Bluetooth-5.0 ont été aperçus au printemps 2017. Ici aussi, les deux appareils finaux doivent prendre en charge le nouveau standard. Mon collègue Dominik Bärlocher vous exposera plus précisément les possibilités qu’offre la technologie Bluetooth 5.0.

Comment savoir quel codec est utilisé?

J’ai consulté de nombreux sites pour étayer mon article. La méfiance que certains éprouvent à l’égard du Bluetooth vient en grande partie des débuts de la combinaison HSP – audio Bluetooth, qui produisait un son métallique. Problèmes de connexion des souris Bluetooth ou paramètres par défauts douteux, les développeurs de systèmes d’exploitation n’ont pas arrêté de commettre des erreurs.

Et le manque de transparence quant au type de codec et au débit binaire utilisés n’aide en rien. C’est comme si vous ne pouviez voir ni quel réseau votre smartphone utilise, Edge, la 3G ou LTE, ni la puissance du signal.

MacOS Sierra

Connectez votre casque à votre Mac. Maintenez la touche option ⌥ enfoncée et cliquer sur l’icône du Bluetooth, en haut de la liste qui apparaît. Lorsque vous passez votre souris sur l’appareil connecté, vous verrez quel codec est utilisé.

Vous aurez encore plus de possibilités si vous téléchargez le logiciel Hardware IO Tools for Xcode dans le centre pour développeurs d’Apple. Il contient le Bluetooth Explorer. Il vous faut toutefois posséder le compte approprié. Vous pourrez non seulement vérifier quel codec est utilisé, mais aussi sélectionner divers codecs et débits binaires spécifiques. Mais vous ne pouvez malheureusement pas le faire sans déconnecter et reconnecter l’appareil.

Windows 10

Windows est pitoyable en la matière. Les débits binaires maximaux sont soi-disant utilisés par défaut sous Windows 10. Mais il n’y a pas d’autre configuration possible. Vous pouvez par contre remplacer la stack Bluetooth de Windows par celle d’un fournisseur tiers. Ce logiciel est la plupart du temps proposé avec des dongles Bluetooth, mais en bidouillant un peu, il fonctionne souvent avec le matériel intégré et il offre davantage d’options de configuration. Reddit récompense toute personne qui trouvera un moyen de hacker la stack de Windows.

iOS

Il est impossible de savoir quel codec est actif et quel débit binaire est utilisé sur les iPhones.

Android

Sur Android, la situation varie. Certains fabricants comme Sony sont disposés à donner des informations quant au codec, mais il n’existe souvent presque aucun moyen de savoir quel codec et quel débit binaire sont utilisés. Les nerds enregistrent le trafic Bluetooth sur Cyanogenmod puis l’analyse sur le pc avec Wireshark. Amusez-vous bien (en anglais)!

Finalement, est-ce qu’on entend la différence?!

Maintenant que je vous ai bombardé d’informations, vous vous demandez sans doute si vous avez vraiment besoin d’aptX.

Dans la pratique, à un débit binaire maximal de 192 kbit/s, le codec SBC est comparé à la qualité MP3, ce qui est plus qu’honorable. Les oreilles non aguerries arrivent difficilement à distinguer la version comprimée de l’original. C’est encore plus dur lorsque des codecs AAC et aptX adaptés au HiFi sont utilisés.

Nous évaluerons prochainement les différents débits binaires utilisés par SBC et ferons un test à l’aveugle afin de comparer SBC et aptX. À suivre!

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