Les données numériques sont des informations représentées sous la forme de valeurs numériques que les ordinateurs peuvent stocker, traiter et transmettre. Un texte, une photographie, une musique, une vidéo ou une mesure provenant d'un capteur devient ainsi une suite de nombres que les circuits électroniques peuvent manipuler.

De l'information aux données numériques

Dans le monde réel, de nombreuses informations sont analogiques : la lumière varie progressivement, une voix produit des vibrations dans l'air et la température change continuellement. Pour qu'un ordinateur puisse traiter ces phénomènes, un dispositif les transforme en valeurs numériques.

Par exemple, un microphone transforme les vibrations produites par une voix en signal électrique. Un convertisseur mesure ensuite ce signal à intervalles réguliers et transforme chaque mesure en une valeur numérique. L'ordinateur peut alors enregistrer ces valeurs dans un fichier audio, les modifier ou les transmettre.

Une caméra numérique fonctionne selon un principe comparable. Elle reçoit la lumière grâce à son capteur et transforme les informations lumineuses en valeurs numériques. Ces valeurs servent ensuite à construire l'image composée de pixels.

Les données sont représentées en binaire

Les ordinateurs utilisent le système binaire pour représenter les données. Chaque information est donc finalement constituée de bits, qui prennent la valeur 0 ou 1.

Les bits sont regroupés pour représenter des valeurs plus complexes. Un groupe de 8 bits forme un octet et peut représenter 256 valeurs différentes. Des milliers, des millions ou des milliards d'octets peuvent ensuite être regroupés pour représenter des informations beaucoup plus importantes.

Par exemple, le caractère A peut être associé à la valeur 65 dans le code ASCII, soit 01000001 en binaire. L'ordinateur manipule donc cette suite de bits lorsqu'il enregistre ou transmet ce caractère.

Différents types de données

La même représentation binaire permet de stocker des informations très différentes. Le logiciel qui utilise les données détermine comment il faut interpréter les nombres enregistrés.

• Un texte est constitué de caractères associés à des valeurs numériques.
• Une image est constituée de pixels dont les couleurs sont représentées par des valeurs numériques.
• Un son est représenté par une succession de mesures numériques du signal sonore.
• Une vidéo rassemble une succession d'images numériques et généralement des données audio.
• Une mesure provenant d'un capteur peut être enregistrée sous forme d'une valeur numérique, comme une température de 21,5 °C.

Le stockage des données

Les données sont enregistrées dans différents types de mémoire. La RAM conserve temporairement les données utilisées par les programmes en cours d'exécution, tandis que les SSD, les disques durs et les autres supports de stockage conservent les fichiers de manière durable.

La quantité de données est mesurée en octets et en multiples de l'octet : kilo-octets, mégaoctets, gigaoctets et téraoctets. Un document texte peut occuper quelques kilo-octets, une photographie plusieurs mégaoctets et un film plusieurs gigaoctets.

Le traitement des données

Le processeur manipule en permanence des données numériques. Lorsqu'un logiciel ouvre une photographie, par exemple, les données du fichier sont chargées en mémoire puis interprétées pour reconstruire les pixels de l'image. Le processeur et la carte graphique traitent ensuite ces informations afin de produire l'image affichée à l'écran.

Le même principe s'applique à toutes sortes de programmes. Un traitement de texte manipule des caractères, un lecteur audio manipule des échantillons sonores et un logiciel de montage vidéo manipule des images, du son et différentes informations associées.

La transmission des données

Les données numériques peuvent être transmises d'un appareil à un autre sous forme de suites de bits. Lorsqu'une photographie est envoyée sur Internet, par exemple, son fichier est découpé en données qui circulent sur le réseau jusqu'au destinataire. L'ordinateur destinataire reconstitue ensuite le fichier afin de pouvoir afficher l'image.

La transmission numérique permet également de copier et de reproduire les mêmes données sur de nombreux appareils. Une même photographie peut ainsi être enregistrée sur un ordinateur, envoyée sur un smartphone, stockée sur un serveur et affichée sur plusieurs écrans.

La taille et la quantité des données

La quantité de données dépend de l'information représentée et de la précision choisie. Une photographie de haute définition contient davantage de pixels qu'une petite image. Un enregistrement audio réalisé avec une fréquence d'échantillonnage et une précision élevées contient davantage de données qu'un enregistrement de moindre qualité.

Lorsque la quantité de données devient importante, la compression permet de réduire la taille des fichiers. Une photographie JPEG, une musique MP3 ou une vidéo compressée occupent ainsi moins d'espace que leurs versions non compressées.

Un fichier audio contient un son sous forme de données numériques. Il peut enregistrer une voix, une musique, un bruit ou tout autre son.

Du son au fichier

Une voix ou un instrument produit des vibrations de l'air. Un microphone transforme ces vibrations en un signal électrique. Un convertisseur analogique-numérique (CAN) transforme ensuite ce signal en une suite de valeurs numériques.

Le convertisseur mesure régulièrement la valeur du signal. Chaque mesure constitue un échantillon. La fréquence à laquelle ces mesures sont réalisées est appelée fréquence d'échantillonnage.

Un CD audio utilise une fréquence d'échantillonnage de 44 100 Hz. Le signal est donc mesuré 44 100 fois par seconde pour chaque canal audio.

La quantification

Chaque échantillon reçoit une valeur numérique. Le nombre de bits utilisés pour représenter cette valeur correspond à la profondeur de quantification.

Avec 16 bits, un échantillon peut prendre 65 536 valeurs. Avec 24 bits, il peut prendre 16 777 216 valeurs. Une profondeur plus importante permet donc de représenter les variations d'amplitude avec davantage de précision.

Le son stéréo

Un fichier audio peut contenir un ou plusieurs canaux. Un enregistrement mono utilise un seul canal, tandis qu'un enregistrement stéréo utilise deux canaux : un pour la gauche et un pour la droite.

Pour un son stéréo à 44 100 échantillons par seconde et 16 bits par échantillon, l'enregistrement produit :

44 100 × 16 × 2 = 1 411 200 bits/s

Cela correspond à 176 400 octets par seconde, soit environ 10,6 Mo pour une minute de son non compressé.

Les formats audio

Les données audio peuvent être enregistrées dans différents formats. Le format détermine notamment la manière dont les données sont organisées et éventuellement compressées.

• WAV : format courant pour les fichiers audio non compressés. Il conserve les données audio avec une grande fidélité, mais produit des fichiers volumineux.

• MP3 : format utilisant une compression avec perte. Il réduit fortement la taille du fichier en supprimant certaines informations sonores peu perceptibles.

• AAC : format utilisant également une compression avec perte, très utilisé dans les appareils mobiles et les services de diffusion audio.

• FLAC : format utilisant une compression sans perte. Le fichier est plus petit qu'un enregistrement non compressé tout en conservant exactement les données audio originales.

• OGG Vorbis : format audio libre utilisant une compression avec perte.

La compression audio

Un enregistrement non compressé contient une très grande quantité de données. La compression permet de réduire la taille du fichier.

La compression avec perte, utilisée notamment par le MP3 et l'AAC, élimine certaines informations sonores afin d'obtenir un fichier beaucoup plus petit. Le niveau de compression détermine le compromis entre la taille du fichier et la qualité sonore.

La compression sans perte, utilisée notamment par le FLAC, réduit la taille des données tout en permettant de retrouver exactement les informations originales lors de la décompression.

Du fichier au son

Lors de la lecture, l'ordinateur lit les données numériques du fichier audio. Un convertisseur numérique-analogique (CNA) transforme les valeurs numériques en un signal électrique.

Ce signal est envoyé vers les haut-parleurs ou le casque. Leurs membranes vibrent et produisent à nouveau des variations de pression dans l'air. Ces vibrations constituent le son entendu par l'utilisateur.

La chaîne complète peut donc être représentée ainsi :

Son → microphone → CAN → données numériques → fichier audio

Fichier audio → données numériques → CNA → haut-parleurs → son

Les mêmes principes sont utilisés pour enregistrer et lire des musiques, voix, podcasts, livres audio, sons de jeux vidéo, films et communications vocales.