Tout savoir sur la tension d'offset

Mon cerveau se met à fumer comme s’il devait résoudre la quadra­ture du cercle. Pinky connaît son boulot… Pour voler la réserve de gain juste sous son nez, le truand s’est montré des plus retors. Il s’agit de quelqu’un d’ha­bile qui sait passer inaperçu. Quelqu’un comme… la tension d’off­set.

Bon, j’avoue : malgré tous mes efforts pour présen­ter la chose sous son meilleur jour, je dois admettre que la tension d’off­set n’est pas parti­cu­liè­re­ment attrayante. Cepen­dant, elle peut être respon­sable de problèmes de réserve de gain, de bizar­re­ries au maste­ring, de bruits de pop et de clic, d’ef­fets fonc­tion­nant anor­ma­le­ment, etc.

Tension d’off­set dans la sphère analo­gique

Revi­si­tons l’his­toire de la tension d’off­set et plon­geons dans les années 70 au moment où les amplis opéra­tion­nels devinrent popu­laires. Ces circuits inté­grés analo­giques sont des compo­sants compacts et bon marché qui déve­loppent une énorme quan­tité de gain. Ils possèdent géné­ra­le­ment deux entrées et une sortie. Théo­rique­ment, à l’état passif (pas de signal en entrée), les entrées et la sortie sont à 0 volt. Mais en raison d’im­per­fec­tions à l’in­té­rieur de l’am­pli opéra­tion­nel lui-même, il peut arri­ver que quelques milli­volts de tension conti­nue déca­lée (tension d’off­set) soient présents dans l’une des entrées.

Norma­le­ment, c’est sans consé­quence. Cepen­dant, si l’am­pli op. possède un facteur de gain de 1.000 (60 dB), un signal d’en­trée décalé de 5 mV sera ampli­fié jusqu’à 5.000 mV (5 volts). Si le déca­lage est apparu dans l’en­trée inver­sée (hors phase), la sortie affi­chera une tension de déca­lage de –5,0 volts. De même, un déca­lage de 5 mV dans l’en­trée non inver­sée engen­drera une tension d’off­set de +5,0 volts.

Cela pose problème pour deux raisons :

• Réduc­tion de la plage dyna­mique et de la réserve de gain. L’ali­men­ta­tion d’un ampli opéra­tion­nel est bipo­laire (autre­ment dit, il existe des voltages d’ali­men­ta­tion posi­tif et néga­tif). Suppo­sons que l’os­cil­la­tion maxi­male du voltage sans distor­sion de l’am­pli opéra­tion­nel soit ±15 V. Si la sortie est déjà à +5 volts, l’os­cil­la­tion maxi­male sera à présent comprise entre +10 et –20 volts. Cepen­dant, étant donné que la plupart des signaux audio sont symé­triques par rapport à la masse et qu’il n’est pas souhai­table que l’un des côtés soit écrêté, l’os­cil­la­tion maxi­male de la tension sera rappor­tée à ±10 V, ce qui revient à une perte d’un tiers (33%) de la réserve de gain dispo­nible.

• Problèmes avec les circuits à couplage direct. Dans un circuit à couplage direct, que les audio­philes préfèrent parfois pour la qualité de leur réponse basse fréquence, la tension conti­nue est trans­mise à l’étage suivant. Reve­nons à l’am­pli opéra­tion­nel évoqué plus haut dont l’off­set de sortie est +5 V. Suppo­sons qu’il alimente un circuit à couplage direct dont le facteur de gain est 5. Le déca­lage de +5 V se trans­forme en offset de +25 V, ce qui est pure­ment inac­cep­table !

Solu­tions analo­giques

Dans les circuits analo­giques à couplage capa­ci­tif, la tension d’off­set n’est pas trans­mise d’un étage à l’autre parce que le conden­sa­teur qui couple les deux étages laisse passer le courant alter­na­tif (AC) mais pas la tension conti­nue (DC). Ainsi, la tension d’off­set limite unique­ment la plage dyna­mique de l’étage dans lequel elle appa­raît (cepen­dant, si le conden­sa­teur de couplage est mal isolé ou défec­tueux, une tension conti­nue pourra passer malgré tout).

Il existe géné­ra­le­ment deux façons de trai­ter l’off­set des amplis opéra­tion­nels :

• On peut utili­ser des amplis op. de préci­sion ajus­tés par laser pour mini­mi­ser le déca­lage.

• On peut ajou­ter un poten­tio­mètre qui injecte le voltage opposé à l’off­set d’en­trée inhé­rent à l’am­pli op. Autre­ment dit, on mesure la tension de sortie quand aucun signal n’est présent et on ajuste le poten­tio­mètre pour obte­nir une tension nulle. Certains amplis opéra­tion­nels possèdent des broches de contrôle de l’off­set qui permettent d’évi­ter d’in­ter­ve­nir sur l’une des entrées. [Notez que le réglage de ces poten­tio­mètres peut bouger avec le temps. Par consé­quent, si vous possé­dez des équi­pe­ments analo­giques équi­pés d’am­plis opéra­tion­nels, ça vaut la peine de véri­fier les offsets de temps à autre et de réajus­ter le réglage des poten­tio­mètres en ques­tion.]

Tension d’off­set numé­rique

Dans la sphère numé­rique, il existe deux situa­tions dans lesquelles une tension de déca­lage peut appa­raître dans le signal :

• Enre­gis­tre­ment d’un signal analo­gique avec tension d’off­set dans un système à couplage direct.

• Cas plus fréquent : inexac­ti­tudes dans le conver­tis­seur A/N ou dans le sous-système de conver­sion qui produisent une légère tension d’off­set en sortie. Comme avec les circuits analo­giques, les proces­seurs qui possèdent un facteur de gain impor­tant (par exemple les plugins de distor­sion) peuvent trans­for­mer un léger offset en déca­lage impor­tant.

Dans tous les cas, l’off­set appa­raît lorsque la ligne de base d’un signal ne corres­pond pas à la ligne de base 0 volt « réelle » (illus­tra­tion 1).

Ill. 1 : voici deux coups de batte­rie dont le premier possède une tension d’off­set impor­tante.

Le second a été corrigé pour être débar­rassé de la tension d’off­set.

Il possède une réserve de gain supé­rieure et peut à présent être norma­lisé si une augmen­ta­tion du niveau est souhai­tée.

Ill. 2 : le signal supé­rieur est la version origi­nale norma­li­sée tandis que le signal infé­rieur a été traité par un filtre coupe-bas à pente raide à 20 Hz, puis norma­lisé de nouveau. Remarquez que le niveau de la forme d’onde du bas est bien supé­rieur.

Ill. 3 : Comme de nombreux programmes, Sonar 5 offre une option de suppres­sion de la tension d’off­set des clips audio.

Le numé­rique a aussi intro­duit un nouveau genre d’off­set qui, d’un point de vue tech­nique, s’ap­pa­rente plus à un problème subso­nique qu’à la « véri­table » tension d’off­set, mais qui a les mêmes consé­quences néga­tives. Par exemple, en trans­po­sant très bas le son modulé d’un oscil­la­teur, j’ai constaté que j’ajou­tais au signal quelque chose qui ressem­blait à une tension d’off­set à varia­tion lente qui limi­tait énor­mé­ment la réserve de gain (illus­tra­tion 2).

Outre la réduc­tion de la réserve de gain, deux problèmes majeurs sont asso­ciés à la tension d’off­set dans les systèmes numé­riques :

• Lorsqu’on réalise une tran­si­tion entre deux portions de signal audio­nu­mé­rique, dont l’une possède un offset et l’autre pas ou dont les offsets sont diffé­rents, un bruit de pop ou de clic appa­raît à l’en­droit de la tran­si­tion.

• Les effets ou les trai­te­ments néces­si­tant un signal symé­trique par rapport à la ligne de base ne fonc­tionnent pas effi­ca­ce­ment. Par exemple, un plugin de distor­sion qui écrête les parties posi­tives et néga­tives du signal coupera les crêtes de façon dissy­mé­trique en présence d’une tension d’off­set. Plus gênant, un noise gate utilisé pour suppri­mer le bruit néces­si­tera un seuil anor­ma­le­ment élevé (ou faible) par rapport au niveau du bruit contenu dans le signal : ce seuil devra être égal au niveau de bruit plus la valeur de l’off­set.

Solu­tions numé­riques

Il existe trois façons prin­ci­pales de résoudre les problèmes de tension d’off­set avec les logi­ciels audio­nu­mé­riques :

• La plupart des éditeurs audio­nu­mé­riques profes­sion­nels possèdent une fonc­tion de correc­tion d’off­set que l’on trouve géné­ra­le­ment dans le même menu que les fonc­tions de modi­fi­ca­tion du gain, d’in­ver­sion, de rota­tion de la phase, etc. Cette fonc­tion analyse le signal et ajoute ou sous­trait le montant de gain néces­saire pour que 0 soit vrai­ment 0. De nombreux séquen­ceurs logi­ciels offrent égale­ment une correc­tion de la tension d’off­set parmi les options d’édi­tion (illus­tra­tion 3).

• Utili­sez un filtre passe-haut à pente raide pour suppri­mer toutes les portions de signal situées sous une fréquence donnée, par exemple 20 Hz (même avec un filtre à pente douce de 12 dB/octave, les portions de signal à 0,5 Hz seront atté­nuées de plus de 60 dB). En pratique, c’est toujours une bonne idée de suppri­mer la portion subso­nique du spectre car certains trai­te­ments peuvent inter­agir avec le signal et engen­drer une modu­la­tion dans la zone sous 20 Hz. Vos enceintes n’étant pas en mesure de repro­duire de fréquences si basses, ces dernières consomment de la bande passante inuti­le­ment. Par consé­quent, suppri­mez-les !

• Sélec­tion­nez une zone de 2 à 10 milli­se­condes au début et à la fin du fichier ou du segment souf­frant d’un offset et appliquez des fondus d’en­trée et de sortie (fade in et fade out). Ainsi, vous dispo­se­rez d’une enve­loppe qui commence et fini à 0. Cela ne permet pas de se débar­ras­ser de la tension d’off­set à l’in­té­rieur du fichier (le problème de restric­tion de la réserve de gain reste donc entier) mais vous aurez supprimé les bruits de pop aux points de tran­si­tion.

Chapitre clos

Certes, la tension d’off­set n’est géné­ra­le­ment pas un problème rédhi­bi­toire comme peut l’être une panne de disque dur. En fait, l’off­set n’est géné­ra­le­ment pas suffi­sant pour méri­ter qu’on s’en soucie. Cepen­dant, vous rencon­tre­rez de temps à autre des problèmes audibles liés à la tension d’off­set. Et à présent, vous saurez comment les résoudre.

Origi­nel­le­ment écrit en anglais par Craig Ander­ton et publié sur Harmony Central.

Traduit en français avec leur aimable auto­ri­sa­tion.