Introduction à la réduction de bruit Dolby - Le Dolby NR

Le procédé de filtrage de bruit du Dolby NR est assuré par un compan­der (pour compres­sor / expan­der, soit en français : compres­seur / expan­seur), qui opère en deux temps :

1. Lors de l’en­re­gis­tre­ment d’un signal sur une cassette, le compan­der compresse le son, c’est à dire qu’il augmente le niveau sonore des sons faibles par rapport aux sons forts. On obtient donc le schéma suivant :

Le compan­der

Admet­tons que l’on ait à copier de la musique sur une cassette, en voulant suppri­mer le souffle, et sans système Dolby NR.

Compres­sion…

Pour éviter que les passages de musique de faible niveau sonore ne soient couverts par le bruit de fond, il faut augmen­ter le niveau d’en­re­gis­tre­ment. Cepen­dant, nous ne pouvons pas le lais­ser à un niveau élevé indé­fi­ni­ment car lors des passages de musiques forts, cela entraî­ne­rait une forte distor­sion sonore. Il faudrait en fait augmen­ter le niveau sonore lorsque la musique est faible et le dimi­nuer lorsqu’elle rede­vient forte.

… et expan­sion

Admet­tons main­te­nant que notre enre­gis­tre­ment soit compressé. Il faut abais­ser le volume pendant les passages initia­le­ment faibles pour que la musique rede­vienne conforme à l’ori­gi­nal (c’est le rôle de l’ex­pan­seur).

Par le système énoncé ci-dessus, on consti­tue ainsi un système manuel de Noise Reduc­tion. Il suffit main­te­nant de le rempla­cer par un système élec­tro­nique, appelé compan­der large bande. Celui-ci fonc­tionne donc de la manière suivante : pour les signaux forts, il ne doit rien chan­ger (figure 1) tandis que pour les sons faibles, il doit réduire le souffle (figure 2).

Ci-contre, figure 1 Prin­cipe de fonc­tion­ne­ment du compan­der large bande sur les signaux forts.

Ci dessus, figure 2 Prin­cipe de fonc­tion­ne­ment du compan­der large bande sur les signaux faibles

Cepen­dant, un problème réside toujours : le souffle de la cassette reste présent pendant les passages de musiques fortes. En effet, le système de Noise Reduc­tion ainsi conçu ne supprime pas la présence du souffle pendant les passages forts. Nous avons donc une « modu­la­tion » de bruit, c’est à dire une varia­tion du niveau sonore du bruit tout au long de la cassette. Mais est-ce réel­le­ment gênant ?

Prenons l’exemple suivant : nous pouvons iden­ti­fier le bruit de la pluie qui tombe avec le bruit qui est présent sur une cassette. Géné­ra­le­ment, le bruit de la pluie ne nous gène pas pour la percep­tion des bruits envi­ron­nants. En effet, nous nous habi­tuons très vite à un bruit constant, et seul le chan­ge­ment ou l’ar­rêt de ce bruit attire notre atten­tion. En d’autres termes, nous sommes sensibles aux chan­ge­ments sonores impré­vi­sibles (qui signi­fient instinc­ti­ve­ment pour l’homme un danger).

Donc, quelle que soit la raison, une varia­tion du niveau sonore du souffle d’une cassette est beau­coup plus gênante que sa présence à un niveau sonore constant. Or un compan­der, de par son prin­cipe de fonc­tion­ne­ment, fait juste­ment varier le niveau sonore du souffle. Il semble donc au premier abord que cette modu­la­tion du bruit soit assez gênante.

Pour­tant, il existe un procédé se basant sur les carac­té­ris­tiques de l’oreille humaine et permet­tant de rendre cette varia­tion du bruit imper­cep­tible pour l’homme : le masquage.

Le masquage de fréquences

Le schéma suivant repré­sente le seuil d’au­di­tion de l’oreille humaine (i.e. le niveau au dessus duquel l’oreille humaine commence à perce­voir un son). La courbe « a » corres­pond au seuil d’au­di­tion dans un envi­ron­ne­ment silen­cieux, tandis que la courbe « b » corres­pond au seuil d’au­di­tion d’un son quel­conque en présence d’un signal dont les fréquences s’étalent autour de 500 Hz, et d’as­sez forte ampli­tude.

On peut remarquer que le seuil à partir duquel l’oreille humaine perçoit un son dépend énor­mé­ment de la fréquence ce ce son. En effet, nous perce­vons beau­coup plus faci­le­ment un son faible à 4 kHz qu’à 50 Hz ou 15 kHz. De plus, à partir de 25 kHz, quel que soit le niveau sonore, l’oreille humaine ne perçoit plus aucun son.

Consi­dé­rons main­te­nant la courbe en présence du signal sonore de 500 Hz. On voit très nette­ment qu’en présence de ce signal, il est diffi­cile de perce­voir d’autres sons d’une fréquence voisine des 500 Hz. C’est cette augmen­ta­tion du seuil qui est nommé masquage : en présence d’un signal de 500 Hz, un bruit d’une fréquence proche de 500 Hz est masqué. Ce bruit peut donc augmen­ter sans que l’oreille humaine ne le perçoive à condi­tion de ne pas dépas­ser le seuil déli­mité par la courbe b. Cepen­dant, dans les autres parties du spectre sonore (par exemple à 5 KHz), le bruit qui était audible sans le signal de 500 Hz, le restera tout autant en sa présence.

Comment utili­ser le masquage pour le système de réduc­tion de bruit ? Comme nous l’avons vu, le masquage d’un son ne se produit pas force­ment lorsqu’un signal fort est présent ; tout dépend du spectre de ce signal (c’est à dire des fréquences qui le composent). Ainsi, si un système de réduc­tion de bruit est unique­ment sensible au niveau sonore, la varia­tion du bruit est inévi­ta­ble­ment audible.

Un tel système, c’est à dire un compan­der large bande, est un bon système sur de la musique telle que du rock ou un orchestre sympho­nique, car ces styles de musique contiennent une multi­tude de fréquences diffé­rentes, et la varia­tion du bruit sera masquée dans de nombreuses fréquences. D’autre part, pendant les passages silen­cieux, le compan­der four­nira une réduc­tion du bruit totale.

Par contre, sur des instru­ments jouant en solo, les résul­tats sont diffé­rents. Le compan­der large bande réagira de la même façon qu’avec du rock, c’est à dire permet­tra au bruit d’aug­men­ter durant les passages forts. Cepen­dant, contrai­re­ment au rock, des instru­ments jouant seuls repro­duisent seule­ment une petite partie du spectre sonore, ce qui donne une courbe de masquage ressem­blant plus à celle de la courbe b. Cela signi­fie que l’aug­men­ta­tion du niveau du souffle sera audible, car certaines des fréquences du spectre de ce souffle ne seront pas masquées.

Pour créer un système de réduc­tion de bruit parfait, le système Dolby NR doit donc non seule­ment être sensible au niveau sonore de la musique, mais aussi à son spectre. Afin de four­nir une réduc­tion du souffle constante, le système Dolby doit permettre une réduc­tion du bruit à toutes les fréquences où il n’y a pas de signaux d’am­pli­tude élevée, et donc pas de possi­bi­lité de masquage. Par contre, le niveau sonore du bruit peut augmen­ter aux alen­tours des fréquences des sons de forte ampli­tude, à condi­tion qu’il reste en dessous du seuil du masquage.

Il faut main­te­nant garder à l’es­prit que le bruit est réduit par l’aug­men­ta­tion du gain durant l’en­re­gis­tre­ment, puis sa réduc­tion pendant la lecture. On ne peut augmen­ter le gain des fréquences où sont présents des signaux de fortes ampli­tudes, sous peine de voir appa­raître un phéno­mène de satu­ra­tion du signal, nuisant alors à la qualité de la musique enre­gis­trée. Heureu­se­ment, grâce au phéno­mène de masquage, nous n’avons juste­ment pas besoin d’aug­men­ter le gain pour ces fréquences.

Par consé­quent, en l’ab­sence de signal, le système de réduc­tion de bruit idéal devra appliquer un gain de niveau constant pendant l’en­re­gis­tre­ment, et le réduire ensuite durant la lecture de la cassette, afin de suppri­mer le bruit. Ensuite, lorsqu’un son fort d’une fréquence parti­cu­lière survient, le gain doit être réduit pour cette fréquence et dans son voisi­nage proche, afin d’évi­ter la satu­ra­tion. C’est ce qui est appelé « le prin­cipe du dernier trai­te­ment ».

Ce schéma montre le gain que four­nit le compres­seur lorsqu’au­cun signal n’est présent (courbe a) et lorsqu’un signal de 500 Hz est présent (courbe b). On a donc bien à 500 Hz et dans son voisi­nage proche une réduc­tion du gain.

Durant la lecture de la cassette (et donc de l’ex­pan­sion), le phéno­mène inverse doit se produire, c’est à dire que le niveau sonore de toutes les fréquences doit être remis à celui d’ori­gine, avant le passage dans le compres­seur. On obtient donc ce schéma.

Ainsi, le niveau sonore du souffle ne varie que pour des fréquences égales et proches des signaux d’am­pli­tudes forts, où l’ef­fet de masquage se produit. Dans toutes les autres zones du spectre, le souffle reste réduit à un niveau constant.

Grâce à ce système, il n’y a donc plus de varia­tion de bruit audible.

Problèmes liés à l’élec­tro­nique

Le système Dolby, comme tout système élec­tro­nique, a ses limites. Le rôle prin­ci­pal du compres­seur est de dimi­nuer le contraste entre le niveau sonore des signaux faibles et celui des signaux forts. Cela signi­fie que si le signal était faible et devient soudain fort, le compres­seur doit réagir en rédui­sant le gain. Cepen­dant, parce que le compres­seur ne sait pas à l’avance que le signal va deve­nir fort, il va four­nir trop de gain pendant un inter­valle de temps corres­pon­dant à son temps de réponse.

Voici un exemple de ce qui peut se produire :

Ce petit dépas­se­ment du gain provoque une distor­sion du signal qui est audible. A première vue, il semble que ce problème puisse être faci­le­ment résolu en augmen­tant la vitesse de réponse (le temps d’at­taque), rendant la distor­sion inau­dible. Pour savoir si cela peut fonc­tion­ner, il faut consi­dé­rer un compres­seur comme une sorte de modu­la­teur d’am­pli­tude. Quand une onde sinu­soï­dale est modi­fiée, par exemple en chan­geant son ampli­tude, elle ne reste pas une simple sinu­soïde. Elle devient un signal avec un spectre beau­coup plus complexe (conte­nant plus d’une fréquence). Plus la sinu­soïde origi­nale est modi­fiée, plus les fréquences laté­rales (en anglais « side­bands ») sont géné­rées. En outre, plus le compres­seur agit rapi­de­ment, plus la largeur de la bande de fréquences laté­rales s’agran­dit, ce qui a pour consé­quence une augmen­ta­tion du bruit lié à la compres­sion.

C’est donc le prin­cipe de la radio AM (ampli­tude modu­la­tion), qui s’ap­plique au compres­seur. Le compres­seur soumet le signal d’en­trée, qui est l’équi­valent de la porteuse de la radio AM, à un gain variable. Les ampli­tudes de chaque fréquence du signal sont ainsi chan­gées, ce qui entraîne l’ap­pa­ri­tion de fréquences laté­rales pour chaque fréquence.

Figure 2 : Bande de fréquences utili­sées lors d’une attaque lente du compres­seur
 

Figure 3 : Bande de fréquences utili­sées lors d’une attaque rapide du compres­seur
 

On a vu que plus le temps d’at­taque est rapide, plus les fréquences des side­bands s’éloignent de la fréquence d’ori­gine. Si le temps d’at­taque est long, par exemple 10 ms, les side­bands se trou­ve­ront près de la fréquence du signal d’ori­gine, comme le montre la figure 2. Elles seront donc masquées par le signal prin­ci­pal. Par contre, du fait du temps d’at­taque court, le signal sera sujet à de la distor­sion.

Par consé­quent, pour un compres­seur, le choix du temps d’at­taque est un compro­mis entre une distor­sion en aval du signal causéz par l’over­shoot et un « click » présent avec des attaques courtes.

A première vue, il semble­rait que le « click » causé par une attaque rapide soit enlevé lors de l’ex­pan­sion, du fait de la complé­men­ta­rité des deux systèmes (compres­seur / expan­seur). Cepen­dant, cela voudrait dire que l’ex­pan­seur doit géné­rer des side­bands iden­tiques avec des pola­ri­tés oppo­sées à celles crées par le compres­seur. Malheu­reu­se­ment, les deux systèmes n’étant pas parfaits, cela se révèle impos­sible. Le résul­tat est donc la présence de ce « clic » carac­té­ris­tique.

La solu­tion à ces problèmes de temps d’at­taque n’est donc pas unique. De telles distor­sions peuvent être évitées par une combi­nai­son des deux systèmes. Premiè­re­ment, l’over­shoot sur les signaux de basses à moyennes ampli­tudes n’est pas gênant, car il y a très peu de distor­sion. On peut donc utili­ser une attaque longue sur de tels signaux.

Cepen­dant, elle ne peut être utili­sée sur des signaux de grande ampli­tude, car la distor­sion est alors très grande. C’est pourquoi les temps d’at­taque doivent pouvoir varier au cours du temps. Ainsi, il est possible de mettre une attaque rapide aux moments où le clic peut être masqué. Cela implique la connais­sance du spectre du signal à ces instants, et entraîne aussi le choix d’un temps d’at­taque qui permet d’uti­li­ser les avan­tages du masquage.

En créant un système de réduc­tion de bruit répon­dant à toutes ces carac­té­ris­tiques, les labo­ra­toires Dolby ont donné nais­sance à un système Dolby NR « parfait », celui qui est inté­gré dans la plupart des chaînes hi-fi. Néan­moins, il faut savoir qu’il existe diffé­rents systèmes Dolby NR, avec des degrés d’ef­fi­ca­cité égale­ment diffé­rents. Clas­sés par ordre crois­sant de perfor­mance, les systèmes Dolby sont les suivants :

• le Dolby B
• le Dolby C
• le Dolby S

Le Dolby B est le système le plus fréquem­ment utilisé, car déjà très effi­cace, et le moins onéreux. Les autres systèmes sont plutôt utili­sés dans le domaine profes­sion­nel. Voici leurs diffé­rentes carac­té­ris­tiques :