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Introduction à la réduction de bruit Dolby - Le Dolby NR

Vous avez sûrement remarqué que la fidélité de restitution du son à partir d'une cassette n’est pas toujours de bonne qualité, notamment à cause de la présence de bruit de fond (appelé souffle), particulièrement gênant. Le système Dolby NR (Noise Reduction) a été conçu dans le but de supprimer ce bruit. Nous allons détailler son principe de fonctionnement.

Logo DolbyLe 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 :

Principe de fonctionnement de l'enregistrement d'une cassette avec le système de réduction de bruit Dolby NR

2. Lors de la lecture de la cassette, c’est la partie expan­seur qui est utili­sée : il va réduire le bruit de fond de la cassette. En effet, en rédui­sant le niveau sonore des sons faibles afin de le remettre à celui d’ori­gine (i.e. avant le trai­te­ment par le compres­seur), il réduit aussi le niveau sonore du bruit présent sur la cassette. Voici le schéma de fonc­tion­ne­ment de l’ex­pan­seur :

Principe de fonctionnement de la lecture d'une cassette avec le système de réduction de bruit Dolby NR

On obtient donc fina­le­ment un son dont le souffle est beau­coup plus faible.

 

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.
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
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.

Courbe du seuil d'audition d'un son dans un environnement silencieux et en présence d'un son de 500 Hz

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.

Ce schéma montre le gain que fournit le compresseur lorsque 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.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.

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.

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.

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

TECH­NO­LO­GIE DOLBY B DOLBY C DOLBY S
Système d’en­co­dage et de déco­dage OUI OUI OUI
Utilise un (des) Compres­seur-Expan­seur(s) à gain variable OUI OUI OUI
Deux Compres­seur-Expan­seurs à gain variable NON OUI OUI
Circuit anti satu­ra­tion NON OUI OUI
Circuit d’ana­lyse du spectre des hautes fréquences NON OUI OUI
Circuit d’ana­lyse du spectre des basses fréquences NON NON OUI
Contrôle des modu­la­tions NON NON OUI
Réduc­tion de bruit pour les basses fréquences NON NON OUI
Réduc­tion de bruit – Hautes fréquences 10 dB 20 dB 24 dB
Réduc­tion de bruit – Basses fréquences 0 0 10 dB
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