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modulation
Dernière mise à jour : 19/04/2009Présentation
Un compresseur de modulation, appelé aussi compresseur de dynamique, est un appareil permettant de diminuer la dynamique d'un signal audio, c'est à dire de diminuer les écarts qui peuvent exister entre les niveaux audio faibles et les niveaux audio forts. Cet article décrit quelques méthodes utilisées pour la réalisation de compresseurs de modulation.Compresseur ou limiteur ?
Il s'agit de deux choses bien différentes. Un compresseur diminue la dynamique d'un signal audio, sans pour autant interdire un dépassement du signal dans son amplitude maximale. Un signal d'amplitude faible est augmenté (amplifié), alors qu'un signal d'amplitude forte est diminué (atténué). Un limiteur quant à lui n'est pas destiné à compresser la dynamique (tout du moins de la même façon), mais à empêcher qu'un signal BF ne dépasse une certaine amplitude. Il n'a aucune action tant que le signal reste sous une limite bien définie, puis atténue le signal d'autant plus fortement que ce dernier a dépassé le seuil limite, de telle sorte qu'en sortie de traitement, l'amplitude n'augmente plus même si elle continue d'augmenter en entrée. Bien entendu, un limiteur peut être considéré comme un compresseur, dans le sens où son action conduit à l'obtention d'un signal dont la dynamique a été réduite, même si ce n'est que du côté des niveaux forts.Quand utiliser un compresseur ?
Quand la dynamique d'un signal audio est plus importante que l'équipement dans lequel ce signal audio est traité. Un enregistreur audio à bande analogique grand public par exemple, ne possède pas une plage dynamique très importante. Si le signal est enregistré à un niveau trop faible, on risque d'entendre trop de souffle (rapport signal à bruit trop faible), et s'il est enregistré à un niveau trop élevé, il y a risque de saturation. Effectuer l'enregistrement d'un concert de musique classique (dynamique 100 dB) sur un enregistreur analogique à bande grand public (dynamique 50 dB à 60 dB), sans le traiter au préalable, relève du défi. La compression de dynamique permet de réduire les risques de souffle et de saturation, il s'agit donc d'un système de protection. L'enregistreur analogique à bande est un exemple entre autre, la compression de dynamique peut aussi être utilisée lors de transmissions sans fil (micros HF), ou dans des circuits d'effets spéciaux présentant un rapport signal/bruit faible (chambres d'écho à lignes à retard analogiques par exemple).Quand utiliser un limiteur ?
Quand le niveau d'un signal BF ne doit en aucun cas dépasser une valeur limite fixe. Exemples :- convertisseur analogique vers numérique (CAN ou DAC) d'un rack d'effet, d'une console ou d'un enregistreur,
- émetteur de radiodiffusion,
- protection de haut-parleurs en sonorisation.
Compresseur à lampe
Lampe à incandescence, pas tube à vide, mieux vaut le préciser dès maintenant ;-)Le principe repose ici sur le fait que le filament de la lampe présente une résistance ohmique dont la valeur augmente avec la température. Plus le signal appliqué en entrée est élevé, plus la lampe va chauffer et plus sa résistance interne va augmenter. La "force" du signal n'est certes pas suffisante pour que la lampe s'illumine de ses pleins feux, mais le principe reste vrai même quand le filament n'est pas incandescent. Montée en diviseur de tension avec une résistance comme cela est montré sur le schéma qui suit, le signal de sortie se trouve d'autant plus atténué que le signal d'entrée est fort.
On peut aussi utiliser la lampe dans son domaine noble et la faire s'éclairer pour de bon. Dans ce cas la lumière émise éclaire un élement photosensible tel qu'une LDR (photorésistance), une photodiode ou un phototransistor (la LDR est toutefois préférée car elle est plus facile à mettre en oeuvre, ne nécessitant pas de polarisation particulière). Dans ce cas, l'élement photosensible est placé dans le circuit de contre-réaction d'un amplificateur, et la lampe est commandée par le signal audio (suffisement amplifié) ponctionné en sortie du limiteur : plus l'élement sensible à la lumière est éclairé et plus sa résistance diminue, et donc plus le gain de l'amplificateur est diminué. On a bien "compensation" automatique du gain en fonction de l'amplitude du signal BF, avec une action de réduction de dynamique puisque le gain diminue d'autant que le signal BF est important.
La lampe a tout de même un sérieux handicap : son inertie thermique. Le contrôle de larges variations d'amplitude n'est pas aisé, et des crêtes importantes peuvent passer les mailles du filet. Mais les compresseurs basés sur ce procédé ont encore des adeptes, et la "couleur" rendue par ce type de compresseur est vraiment caractéristique, à tel point que certains éditeurs de logiciel ont implémenté (simulé) des fonctions de compression "optique" dans leurs plugins logiciels de compresseur (Wave Renaissance Compressor pour ne citer qu'un exemple entre autres).
Compresseur à thermistance CTN
Le principe de base est identique à celui de la lampe à
incandescence, hormis le fait que la résistance interne de la
thermistance CTN diminue quand sa température augmente.
Plus le signal appliqué en entrée est élevé, plus la thermistance va chauffer et plus sa résistance interne va diminuer. Telle qu'elle est montée en diviseur de tension avec la résistance dans le schéma qui précède, le signal de sortie se trouve d'autant plus atténué que le signal d'entrée est fort. Tout comme pour l'ampoule, l'inertie thermique empêche un traitement précis des crêtes rapides. Je n'ai vu qu'un seul schéma de compresseur mettre en oeuvre ce type de composant, je ne sais pas si cela a vraiment été utilisé très souvent.
Compresseur à transistor FET
On utilise ici la résistance Drain-Source d'un transistor FET
comme une résistance classique, dans la contre réaction
d'un amplificateur ou dans un circuit diviseur de tension
résistif.
La résistance Drain-Source du transistor FET voit sa valeur modifiée en fonction de la tension appliqué sur la porte (Gate) du transistor. En appliquant une tension continue qui est proportionnelle à l'amplitude du signal d'entrée, on obtient une variation du gain ou du rapport d'atténuation, qui "suit" le signal d'entrée. Dans mon compresseur audio 001, un transistor FET est utilisé dans la contre réaction d'un AOP, qui voit son gain diminuer quand l'amplitude du signal audio augmente. Le transistor FET doit être commandé par une tension continue dont la valeur est proportionnelle à l'amplitude du signal audio, ce qui implique la réalisation d'un circuit de redressement et de filtrage, dont les caractéristiques propres (temps de réaction et temps de relachement entre autres) doievnt être soigneusement choisies pour obtenir de bons résultats techniques et artistiques (il y a des plages de valeurs types, mais il y a aussi surtout l'oreille).
Compresseur à transistor bipolaire
Le principe de base est le même que pour le transistor FET.
Mais la plage de variation de la "zone résistive" d'un transistor bipolaire n'est pas la même que celle d'un transistor FET, et est moins souple à l'usage. On préfère cette solution quand le taux de distorsion a une moins grande importance, comme c'est le cas dans la transmission de la parole (CB ou radio-amateurs), où l'intelligibilité et la portée importent plus (exemple d'application avec le préampli micro 020). Montage également apprécié de ceux qui ne connaissent pas suffisement le transistor FET et qui en ont autant peur que des selfs.
Compresseur à diodes
Le principe repose sur l'utilisation de diodes dans le circuit de contre-réaction d'un amplificateur à transistor ou à AOP.
Lorsque l'amplitude en sortie de l'amplificateur augmente, la résistance interne des diodes diminue, ce qui a pour effet d'augmenter la réaction de la sortie vers l'entrée, et donc de diminuer le taux d'amplification (le gain). Cette méthode conduit à une réaction très rapide, bien plus rapide que les méthodes précités. Mais cette rapidité peut aussi conduire à un taux de distorsion très élevé, car le gain de l'amplificateur suit de très près (de trop près) les variations du signal d'entrée. On préfère là aussi ce système quand efficacité prime sur qualité, par exemple dans le domaine du traitement de la voix humaine pour des transmissions longue distance.
Compresseur à circuit intégré spécialisé
Certains fabricants de composants électroniques ont développé des circuits spécialement destinés à la réalisation "aisée" de compresseurs ou de limiteurs de modulation. A ce titre, les plus connus sont sans doute DBX (VCA 2150), PMI/Analog Device (SSM2120, SSM2122) et Signetic (NE570, NE571, NE572, NE575). J'ai par le passé construit plusieurs compresseurs pour ma petite radio et pour des enregistrements magnétiques déstinés à l'écoute en voiture, limiteurs et expandeurs avec des circuits de la série NE57x (par exemple limiteur audio 001), qui donnent des résultats très corrects. A noter que certains des circuits mentionnés ci-avant contiennent tout ce qu'il faut pour réaliser un compresseur ou un limiteur (VCA et redresseur dans le même boitier, cas des NE57x), alors que d'autres nécessitent l'ajout d'une circuiterie de détection / redressement pour la commande du VCA (cas du DBX2150).Retard dans le traitement
Les compresseurs et limiteurs de modulation présentent un défaut commun : celui de réagir tardivement (abstraction faite du circuit à diodes parfois considéré comme trop rapide, et qui convient moins bien pour la musique). Il faut en effet un certain temps pour que le circuit d'analyse se rende compte que le signal est trop fort ou trop faible, cela étant lié au temps de charge du condensateur de filtrage lié au circuit de détection. Il est donc venu à l'esprit de certains, d'inclure un retard dans le trajet du signal audio et aucun retard dans son circuit d'analyse. On analyse le signal audio d'entrée non retardé, et on traite la dynamique du signal audio retardé. On a donc le temps de le traiter proprement puisqu'on sait comment il varie, avant même d'agir sur lui. Ce procédé dit "à prédiction" permet un traitement approprié à de nombreuses situations (entendez par là à de nombreux types de sources sonores, même dans des applications temps réel où une modification rapide des réglages n'est pas facile).Termes barbares : Threshold, Attack, Decay, Sustain, Release...
Les compresseurs et limiteurs de modulation présentent parfois des réglages qui permettent d'adapter l'action de l'appareil au type de signal audio à traiter. Bien souvent, ces réglages sont opérés à l'oreille, car les résultats sonores dépendent beaucoup de la nature du signal audio à traiter. Il faut bien être conscient de la grande variété de son que l'on peut être amenée à traiter, chaque instrument de musique présente des caractéristiques différentes. L'attaque des notes par exemple, n'est pas la même pour une guitare, un clavecin et une flute. Et avec une même guitare jouée par deux musiciens différents, on n'a pas non plus la même chose. Autant dire qu'il est quasiment impossible de régler un compresseur avec des paramètres prédéfinis. Il faut parfois beaucoup de temps pour trouver les bons réglages, même si on arrive tout de même à spécifier des "valeurs types" pour certains "usages types" qui peuvent servir de point de départ.Threshold
Il s'agit du seuil à partir duquel l'appareil (compresseur ou limiteur) va agir sur le signal BF. Il est généralement exprimé en dB, par exemple -24dB (le terme dB peut être relatif au niveau de saturation, ou être absolu et représenter alors des dBu ou dBm). Si l'amplitude du signal audio est inférieure au seuil, le signal audio ressort intact en sortie, sa dynamique n'est pas modifiée. Si l'amplitude du signal audio est supérieure au seuil, le signal audio est traité et ressort compressé, sa dynamique est modifiée.Ratio
C'est le taux de compression, que l'on pourrait aussi appeler la "force" de la compression. C'est ce paramètre qui permet de décider de la dynamique de sortie que l'on aura pour une dynamique d'entrée donnée. Le ratio est généralement exprimé sous forme numérique sans unité, par exemple 1.5, 2.0 ou 3.0, ou sous forme de rapport, tel que 2:1 ou 3:1 (un ratio de 10:1 à 100:1 correspond à un taux de compression très élevé, on parle dans ce cas plus volontier de limitation). Je trouve l'appellation du type "3:1" plus parlante, car les deux chiffres représentent bien le rapport de dynamique entre entrée et sortie. Par exemple, un ratio de 2:1 indique que la dynamique de sortie est réduite de moitié : pour une dynamique d'entrée de 60 dB, on se retrouve avec une dynamique de sortie de 30 dB (60:30 équivaut à 2:1). Un ratio de 3:1 indique quant à lui que la dynamique de sortie est réduite de 2/3 : pour une dynamique d'entrée de 60 dB, on se retrouve avec une dynamique de sortie de 20 dB (60:20 équivaut à 3:1). Plus le ratio est élevé, et moins le signal traité présente de différences entre niveaux faibles et les niveaux forts, et donc plus sa dynamique est faible.Remarque : un taux de compression très élevé peut conduire à un étouffement du son, où les fréquences aigues n'ont plus beaucoup de place pour s'exprimer. De même, l'effet stéréophonique peut se trouver fortement atténué.