I / Historique des compresseurs
A. La Modulation de fréquence (FM)
Lors de l’émission d’un programme par une radio, un émetteur génère une porteuse. Cette porteuse est modulée par le signal à transmettre par les radios.
Le signal alimente une antenne d’émission pour rayonner dans l’espace sous forme d’un champ électromagnétique, appelé aussi ondes hertziennes, ondes radioélectriques ou électromagnétiques.
Schéma de principe de la radiodiffusion sonore
Il existe plusieurs façons pour moduler la porteuse mais une seule nous intéresse pour expliquer l’utilisation du compresseur : la modulation de fréquence (FM).
En FM, l’amplitude de la porteuse est constante et sa fréquence varie autour d’une fréquence de référence proportionnellement au niveau du signal.
Les récepteurs reçoivent la porteuse modulée dont ils extraient le signal.
Modulation d’une porteuse radiofréquence (ou H.F.) par un signal audio en modulation de fréquence
En audio, il existe des analyseurs de spectre qui permettent de visualiser toute la bande passante de 20Hz à 20KHz.
Il en est de même pour la HF : le même principe existe.
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Si on prend un analyseur de spectre HF et que l’on se met dans une fenêtre de visualisation de 88MHz à 108MHz, on visualise toutes les radios.
Analyse de spectre
La variation ou « excursion » de fréquence est proportionnelle au niveau du signal audio modulant. Si l’on observe une seule radio à l’analyseur de spectre HF :
Spectre d’une seule radio
Fo : c’est la porteuse : c’est elle qui porte ou transporte le programme.
La fréquence de la porteuse varie symétriquement de chaque côté de sa valeur nominale en fonction du signal audio à transmettre. L’amplitude reste constante. La modulation de fréquence (F.M.) est utilisée dans la bande des ondes métriques.
Ce principe de modulation s’appelle :
l’excursion ou swing
Une porteuse peut être soit pure soit modulée.
Une « porteuse pure » est une porteuse qui ne transporte pas d’audio, elle a un certain encombrement.
Une « porteuse modulée » est une porteuse modulée en fréquence autour de Fo par l’audio.
L’amplitude instantanée reste constante.
Cela explique que l’on ne peut moduler à l’infini sans toucher aux autres radio.
Il y a un Q maximum pur et un Q minimum modulé.
Q minimum : porteuse pure
Q maximum : porteuse modulée
L’encombrement que prend une porteuse pure a été définit depuis de longues années pour pouvoir loger toutes le radios sur la bande FM.
L’encombrement que prend une porteuse modulée a aussi été fixé. Cette valeur doit correspondre au niveau nominal du signal audio délivré par la station. Le niveau nominal n’est pas normalisé en valeur absolue. En France, les stations de service public et certaines stations privées ont adopté un niveau de + 12 dBu alors qu’en Allemagne, par exemple, il est de + 6 dBu.
Cette modulation a donc été normalisée en 1957 et strictement fixée à 75KHz total (donc 37.5KHz de part et d’autre de Fo).
Dans tous les pays du monde, une porteuse ne doit pas moduler à plus de 75KHZ.
Ceci a été fixé pour loger un certain nombre de radios.
L’excursion ne doit pas dépasser 75 KHz
Un dépassement de niveau du signal modulant entraîne une sur-excursion qui augmente la bande occupée par les raies spectrales ; et ceci, sans donner une puissance supérieure à l’émetteur, donc sans augmenter sa portée. Ceci pourra favoriser la qualité de réception.
En effet le niveau rapport/bruit va être augmenté. L’auditeur percevra un niveau plus important. Malheureusement, ces sur-excursions gêneront les émetteurs voisins et créeront des risques de distorsion au niveau des récepteurs.
On comprend donc l’importance de la tenue du niveau du programme à transmettre (et cela dans un contexte commercial où certains radiodiffuseurs seraient tentés de sur-moduler afin d’être mieux perçus que la concurrence).
C’est pourquoi une pré-accentuation de 50 µs est appliquée au signal (75 µs aux Etats-Unis) dont l’effet se fait sentir à partir de 1 kHz. Cela donne un gain d’environ 15 dB à 15 kHz.. Le récepteur effectue une désaccentuation de même valeur.
Mais des modulations riches en fréquences aiguës telles que les voix féminines, peuvent créer des sur-excursions importantes, donc des distorsions harmoniques très sensibles à la réception.
Pour éviter ce phénomène, divers procédés sont utilisés: le plus simple est le contrôle manuel du niveau au studio de diffusion, grâce à un indicateur prenant en compte la pré-accentuation. Mais cela conduit généralement à une sous-modulation du niveau moyen. Aussi protégeait-on l’entrée de l’émetteur par un limiteur. Dans un programme dont le niveau était bien surveillé à la prise de son, ce limiteur ne devait servir que de garde-fou et ne fonctionner que lors des pointes accidentelles. C’est du moins ce qui se passait avant les années 80, la bande FM n’étant alors occupée que par un nombre limité de radios du Service Public.
Lors de la « libération de la radio », de nouvelles radios devaient se battre pour avoir une bonne place sur la bande FM : elles augmentaient la puissance de leur émetteurs ; il en découlait le dépassement de l’excursion maximale autorisée : 75KHz.
La bande FM devenait de plus en plus saturée
B. Le traitement de la dynamique sur la bande FM
Si l’on module trop, l’excursion sera trop importante ; si l’excursion est trop importante, on risque de gêner la radio voisine.
Ce qui définit l’excursion par rapport à un signal audio :
la dynamique et le niveau
Une caisse claire envoyée à un émetteur FM peut atteindre une grande excursion.
On comprend donc aisément que la grande contrainte en FM est de maîtriser la dynamique afin que l’excursion ne dépasse pas la valeur normalisée.
Malgré de grandes surveillances et des contrôles poussés par TDF, la bandes FM est encore très encombrée...
Ainsi les nouvelles radios on fait appel à des appareils pour « densifier le son » : des compresseurs.
Nous expliquerons en détail dans le chapitre suivant le mode de fonctionnement d’un compresseur. Nous pouvons simplement dire pour l’instant que son action principale est d’abaisser les niveaux forts.
Ainsi, les compresseurs abaissant les forts niveaux, on peut alors augmenter le gain sans pour autant dépasser l’excursion maximale, ce qui permet d’amplifier le niveau moyen de la modulation.
Les radios passaient au travers de ceux-ci pour alimenter les émetteurs : ainsi, les auditeurs pouvaient mieux les percevoir.
Ainsi entre deux émetteurs de même puissance celui qui est alimenté à travers un compresseur parait plus puissant, le volume sonore perçu par l’auditeur étant subjectivement plus important.
Evidemment, la dynamique est diminuée avec ce processus mais ce n’est pas nécessairement un critère de mauvaise qualité pour tous les auditeurs. Ceux disposant d’un mauvais dispositif de réception étaient favorisés par l’utilisation de cette technique : le confort d’écoute était plus grand.
Le choix d’un système de compression est donc, fondamentalement, un choix de
« politique d’antenne » par rapport à une concurrence sur la bande FM mais aussi par rapport à un auditoire ciblé.
Un limiteur est souvent associé au compresseur pour ne pas dépasser l’excursion maximale autorisée (+/- 75 kHz) ainsi qu’un extenseur (appelé aussi expanseur ou expendeur) travaillant sur les niveaux faibles et moyens pour réduire au maximum la dynamique.
Sur certaines radios on ne peut plus parler de réduction de dynamique mais plutôt de quasi suppression, celle-ci étant réduite à quelques décibels.
Cette technique s’appelle le PROCESSING.
Comme nous venons de le voir, le processing en FM a une origine historique et technique. Il est obligé d’être là ; il est propre au système de diffusion FM, il détourne les contraintes de la FM.
C. Les compresseurs en FM
Si l’on observe l’évolution de la radio dans le temps, on se rend compte que le limiteur est à l’origine du processing.
Dans un limiteur, on fixe un seuil tel que le niveau sortant ne dépasse jamais celui-ci ; la compression du signal sera donc proportionnelle à ce seuil.
Ainsi, l’amélioration du confort d’écoute par la réduction de la dynamique sera d’autant plus importante que les seuils de fonctionnement seront bas et que les pentes de compression seront fortes.
Dans le traitement du signal en numérique, on fait en sorte que le PPM ou niveau électrique n’atteigne pas une certaine valeur tout en essayant de donner une grande valeur au VU qui est en fait une moyenne (un VU-mètre est un appareil de mesure qui réagit comme l’oreille).
En radio, c’est un peu le même chose : le processing permet d’atteindre un grand VU sans dépasser les 75KHz.
Donc le processing a une utilité technique et artistique ; si on veut respecter la loi sans donner une couleur, il suffit d’utiliser un limiteur.
Fonctionnement d’un limiteur
a) signal original
b) signal limité avec gain de limitation de 5dB
c) signal limité et compressé avec addition du gain de limitation et du gain de compression, soit 20 dB
Le fait de limiter le signal a malheureusement des conséquences sur le son lui même :
§ mauvaise restitution de la répartition spectrale originale de l’énergie
§ pompage sur les faibles niveaux
Pour limiter l’effet de détimbrage, le spectre est découpé en plusieurs bandes et chaque bande est traitée différemment avec un compresseur spécifique. Les compresseurs que l’on rencontrait en radio dans les années 70 étaient des compresseurs larges bandes.
La musique a évolué : le pied et la basse on commencé a sortir du mix. Lorsque l’on compressait avec une compression large bande, ça pompait.
Donc il a fallu compresser le pied à part : le compresseur 2 bandes était né ; une bande pour le bas, et une pour le haut. On compressait les deux bandes de manière différente.
Ainsi le premier compresseur multi-bande est né de la FM.
L’effet de pompage est atténué en associant à la compression une extension avec un seuil de fonctionnement réglable mais il l’est surtout par une gestion du release (temps de retour à la normale) qui varie alors en fonction de la nature des ondulations à traiter.
Ainsi le compresseur peut reconnaître des ambiances ou des respirations et ne pas les « remonter » après compression .
Toutes les radios utilisent maintenant des compresseurs d’antenne.
C’est le débordement actuel en FM : il faut respecter les 75KHz d’excusions tout en obtenant un niveau subjectif élevé.
Il est arrivé un moment où chacun a voulu être plus “fort” que l’autre :
Malgré ceci, certaines radios généralistes et culturelles résistèrent longtemps mais furent contraintes de les adopter. Leurs revendications étaient : nous sommes une nouvelle Radio, notre son ne subit aucun traitement, notre émetteur n’est pas très puissant, nous envoyons un niveau audio raisonnable pour ne pas saturer votre récepteur et si un jour vous réussissez à nous capter vous écouterez la différence » .
Dans les années 60-70 le limiteur s’est transformé en compresseur.
Puis dans les années 1980, on a voulu donner une certaine couleur au son tout en repectant cette norme ; en jouant sur les constantes de temps, on peut donner une couleur de son : le son FM.
On devait pouvoir reconnaître une radio à sa couleur sonore : on personnalisait le son de chaque radio.
C’est l’habillage (comme le jingles pubs de TF1).
Les propriétés de la compression sont hélas trop largement exploitées, certaines radios n’hésitant pas à diffuser leur programme avec deux ou trois dB de dynamique pour des raisons déclarées d’esthétique.
Cette situation gêne l’auditeur lors de la recherche des stations {écarts de volume sonore très importants entre stations) et pose un problème purement technique de qualité de réception avec des récepteurs de qualité courante (pentes des filtres).
Les fabricants ont imaginé des compresseurs spécifiques pour atténuer ces effets : le premier constructeur de compresseur multi-bande au monde est ORBAN (Optimod), IDT, Inovonics.... Ces appareils sont appelés compresseurs d’antenne, ou encore processeurs d’antenne : on rentre le signal droite et gauche et on ressort un son formaté radio (matricé).
Conclusion :
Nous avons vu à travers ce chapitre que le compresseur est né de la radio.
A la base, son utilité était uniquement technique, mais les radios on décidé de l’utiliser pour donner une « couleur » à leur son.
Ce n’est pas le cas de toutes les radios : Radio France continue d’ailleurs à utiliser un vulgaire limiteur pour éviter de dépasser l’excursion : ils respectent le son.
Subjectivement parlant, Radio France est moins fort que Fun Radio.
France musique, France inter et France info utilisent un limiteur EMT installé depuis 30 ans.
Donc subjectivement parlant, ils sont moins fort mais ils respectent le son.