"Processeur de signaux audio et système réducteur de
bruit de fond".
"Processeur de signaux audio et système réducteur de bruit de fond".
La présente invention a pour objet un processeur de signaux audio enregistrés, particulièrement destiné à obtenir à partir d'un enregistrement stéréo avec information spatiale ou "surround", les signaux pour les canaux individuels, en tenant compte aussi
des caractéristiques particulières de la salle d'écoute et notamment de sa dimension.
Dans ce but, le processeur de signaux audio suivant l'invention comprend un préamplificateur assurant une sélection et une définition de bande des signaux audio provenant du lecteur d'enregistrement, un réducteur de bruit, un décodeur permettant d'obtenir à
partir de signaux d'entrée stéréo avec une information dite spatiale ou "surround", les signaux de gauche,
de centre, de droite et éventuellement d'ambiance,
et un ou des étages de sortie pour l'attaque des reproducteurs sonores.
Le processeur suivant l'invention trouve une application particulière dans le domaine cinématographique, pour le décodage de la bande sonore des films modernes avec effet sonores spéciaux,
Dans une forme de réalisation préférée, le processeur suivant l'invention comprend des entrées multiples stéréo, des commutateurs électroniques permettant de sélectionner une paire d'entrées stéréo correspondantes à un moment donné, des circuits sommateurs et des circuits de filtre passe-bande permettant de limiter vers le bas et vers le haut les signaux transmis, ainsi qu'un circuit sommateur recevant les sorties de ces filtres pour former un signal monophonique si l'enregistrement est lui-même monophonique, la connexion dans le circuit de ce dernier circuit sommateur se faisant à l'aide de commutateurs électroniques.
Un problème toujours présent avec un enregistrement sonore est celui du bruit de fond. Pour tenter de le résoudre, divers systèmes réducteurs ont été mis au point, sur la base d'un codage préalable à l'enregistrement et d'un décodage correspondant lors de la reproduction. Un tel système est notamment celui mis au point par les laboratoires Dolby et il existe actuellement une variante de ce système qui est utilisée pour l'enregistrement de la bande sonore de films cinématographiques avec effet spécial ("surround soud").
L'invention a aussi pour but d'offrir un système de réduction de bruit de fond pouvant notamment être utilisé avec un processeur de signaux audio tel que défini précédemment et permettant aussi la reproduction correcte, bien que suivant un principe différent, de la bande sonore de films produits suivant le système Dolby.
Dans ce but, le réducteur de bruit suivant l'invention a pour caractéristique que son signal d'entrée est divisé entre trois parcours, à savoir un premier parcours passif avec une résistance ohmique, un second parcours passif avec un filtre passe-bas suivi d'une résistance, et un troisième parcours actif avec un filtre passe-haut, un amplificateur et un expanseur comportant un redresseur de signal couplé à un condensateur
et une diode de Zener, pour commander une cellule amplificatrice à gain variable, suivie d'un déphaseur
à 180[deg.] et d'une résistance, les résistances en série
avec la sortie des trois parcours étant ramenées à un amplificateur sommateur, le gabarit de transfert global
du système étant calculé de manière à présenter trois sections, une première section traitant les signaux
à faible niveau, par exemple de -40 dB et moins, avec
un transfert linéaire, la seconde section traitant
les signaux moyens, par exemple de -40 à -10 dB, avec une expansion d'un facteur par exemple de l'ordre de 1,3,
et la troisième section traite les signaux forts, par exemple de -10 dB et plus, de manière linéaire.
D'autres détails et particularités de l'invention ressortiront de la description ci-après, donnée à titre d'exemple non limitatif et en se référant aux dessins annexés, dans lesquels :
La figure 1 est un schéma synoptique du processeur de signaux audio suivant l'invention. La figure 2 est un schéma plus détaillé du préamplificateur de la figure 1 . La figure 3 est un schéma de principe d'un commutateur électronique. La figure 4 est un schéma synoptique du système réducteur de bruit de fond incorporé dans le processeur de la figure 1.
Les figures 5 à 8 sont des diagrammes utilisés pour l'explication du fonctionnement du système réducteur de bruit de la figure 4.
La figure 9 est un schéma synoptique du décodeur de canaux de reproduction sonore du processeur illustré à la figure 1. La figure 10 est un schéma synoptique du circuit de retard utilisé avec le processeur de la figure 1. La figure 11 est un schéma d'un circuit de commande de cpnstante de temps utilisé dans le système réducteur de bruit suivant l'invention. La figure 12 est un schéma d'un autre circuit de commande de constante de temps pouvant être utilisé avec le système réducteur de bruit suivant l'invention. La figure 1 est le schéma synoptique du processeur de signaux audio enregistrés. Dans la forme de réalisation illustrée, le processeur possède deux entrées symétriques Ll/Rl et L2/R2, qui sont couplées par des transformateurs d'impédance T à des circuits préamplificateurs 1 à 4.
Des commutateurs électroniques 5 à 8, permettant la sélection des sources de signaux, envoient les signaux d'entrée sélectionnés à des circuits sommateurs 9 et 10. Les commutateurs 5 à 8 sont commandés de telle sorte qu'une seule source soit sélectionnée à un moment donné, tandis que l'autre est bloquée. Les signaux sélectionnés passent par des filtres passe-bande 11 et
12, avec des fréquences de coupure de 35 Hz et 18 kHz par exemple, de façon à limiter la bande transmise aux signaux audio utiles,,, La partie décrite jusqu'à présent constitue le bloc préamplificateur A du processeur.
En ce qui concerne les signaux d'entrée, il
peut s'agir de n'importe quels signaux audio enregistrés, de préférence sous forme stéréo et avec une information d'ambiance. Il s'agira notamment des signaux provenant
de la bande sonore d'un film de type spatial ou "surround sound".
Les signaux provenant du préamplificateur sont appliqués à un bloc réducteur de bruit de fond et de sélection mono/stéréo. Les signaux sont envoyés vers des modules de réduction de bruit de fond 13 et
15, décrits plus en détail ci-après, et vers un amplificateur sommateur 14. Ce dernier additionne les signaux Ll/Rl ou L2/R2 suivant la sélection d'entrée. On obtient ainsi un signal monophonique qui est appliqué à un filtre dit "académique" 15, du type passe-bas avec une courbe d'atténuation de -20 dB à 9000 Hz et une pente de -6 dB par octave. La sélection entre
une reproduction stéréo ou mono est effectuée par des commutateurs électroniques 17 à 19. Dans le cas d'un enregistrement stéréo, les signaux traversent les modules réducteurs de bruit 13 et 15 et les commutateurs
17 et 19 alors conducteurs, tandis que le commutateur
18 est bloqué. Les signaux passent ensuite par des circuits sommateurs 20 et 21.
Dans le cas d'un enregistrement monophonique, les commutateurs 17 et 19 sont bloqués, tandis que le commutateur 18 est conducteur. Les signaux gauche (L) et droit (R) additionnés par le circuit 14 et filtrés par le circuit 16, traversent le commutateur 18 pour être répartis entre les circuits sommateurs 20 et 21.
Les signaux sont alors envoyés au bloc C comportant le décodeur de canaux de reproduction et éventuellement des préamplificateurs pour d'autres sources de signaux audio (tourne-disques, etc) . Ces signaux du bloc B traversent d'abord des préamplificateurs 22 et 23 pour parvenir à des commutateurs électroniques 26 et 27, tandis que ceux provenant des autres sources traversent des préamplificateurs
24 et 25 pour être appliqués à des commutateurs électroniques 28 et 29. Tous ces commutateurs permettent
la sélection des signaux appropriés.
Les signaux audio parviennent alors à un décodeur 30 permettant d'extraire de l'enregistrement des signaux gauche, centre, droit et ambiance dans le cas d'un film du type "surround sound" par exemple.
Si la salle d'écoute est grande (salle de cinéma), le décodeur peut aussi produire des signaux centre gauche et centre droit pour éviter un trou dans l'image sonore.
Les sorties du décodeur sont envoyées à des amplificateurs de correction et de puissance 31 à 41 pour attaquer les reproducteurs sonores.
Le signal d'ambiance est amené à passer par un circuit de retard afin de compenser tout effet d'écho dû à l'emplacement des reproducteurs d'ambiance à l'arrière de la salle .
Enfin/les différents commutateurs électroniques sont commandés par un module G à circuits numériques assurant un mode de commande logique approprié.
En se référant à la figure 3, on décrira à présent plus en détail le principe des divers commutateurs utilisés suivant l'invention et dont la conception particulière permet d'atteindre une diaphonie particulièrement faible .
Le signal d'entrée 1 est offert au drain d'un transistor à effet de chap Tl, dont le gate reçoit par une diode Dl, une tension de commande, positive ou négative. Avec une tension positive, le transistor Tl est conducteur et envoie le signal d'entrée à sa source,
qui est connectée à un second transistor à effet de champ T2. Le gate de ce dernier est également connecté
à une tension de commande, négative dans le cas présent. T2 est donc bloqué et il offre une très grande résistance au signal par rapport à la masse à laquelle sa source est connectée. Le signal peut donc parvenir sans atténuation à la sortie 2. Les tensions de commande de Tl et T2 sont inverses. Par conséquent, quand on bloque avec une tension négative le transistor Tl pour empêcher le signal de passer, une tension positive est appliquée au transistor T2 et il devient conducteur, ce qui permet de dériver vers la masse tout signal résiduel traversant
Tl à cause de sa résistance élevée mais finie en position de blocage. Ceci permet d'améliorer largement le rapport de diaphonie entre les signaux sélectionnés.
Pour permettre le couplage parallèle de plusieurs transistors T2 sur une même ligne de signaux
sans court-circuiter celle-ci à la masse lorsque les transistors T2 sont rendus conducteurs, on a prévu pour chaque paire de commutateurs électroniques, un amplificateur sommateur recevant à ses entrées les sorties de commutateurs prenant à tout moment des positions inverses et dont la sortie attaque la ligne commune qui
est ainsi découplée de la masse.
Tout enregistrement, qu'il soit magnétique ou optique, présente le problème de l'apparition d'un bruit de fond lors de sa reproduction. De nombreux systèmes de réduction de ce bruit ont déjà été proposés, dont un des plus connus est celui mis au point par les laboratoires Dolby. Une variante de ce système Dolby est appliquée à l'enregistrement de la bande sonore de films à effet spatial, dit "surround sound". La présente invention offre un système de réduction du bruit de fond à la reproduction qui permet le décodage d'un enregistrement effectué suivant ce système Dolby, bien que par l'application d'autres principes.
On se référera tout d'abord à la figure 4,
où l'on peut observer qu'un signal d'entrée 1 est distribué sur trois parcours différents, à savoir un premier parcours passif avec une résistance 11, un second parcours passif avec une cellule de filtre passe-bas 12
et une résistance 10, et enfin un troisième parcours actif comportant un filtre passe-haut 2, un amplificateur 3, un dispositif expanseur 15 avec un redresseur
4 auquel est couplé un condensateur 7 et une diode de Zener 6, et qui commande une cellule d'amplificateur à gain variable 5. Ce dernier est suivi par un déphaseur de 180[deg.] 8 et une résistance 9.
Les signaux obtenus après les résistances 9, 10 et 11 sont additionnés dans un amplificateur sommateur
13 et ils se présentent à sa sortie 14. Le filtre passehaut 2 a son point -3 dB à 250 Hz et il en est de même du filtre passe-bas 12. Par conséquent la partie
active n 'agit qu' à partir de 250 Hz et, les fréquences basses sont légèrement traitées à faible niveau par le système expanseur.
La courbe de transfert globale est représentée à la figure 5 et elle comporte trois parties . La première partie 1 traite les signaux à faible niveau, par exemple .-40dB et moins . Dans cette région, le transfert est linéaire. Avec la même échelle pour les deux axes, cette partie de courbe fait un angle de 45[deg.] dans le quadrant inférieur gauche.
La seconde partie 2 traite les signaux entre
-40 dB et -10 dB par exemple. Il s'agit de la partie correspondant à l'expansion, ce qui signifie que pour une variation à l'entrée de X dB, la sortie varie de Y x X dB, y étant le facteur d'expansion, choisi ici <EMI ID=1.1>
La troisième partie 3 agit pour les signaux de -10 dB et plus et le transfert s'y fait linéairement. On obtient ainsi une courbe de transfert totale semblable à celle adoptée par les laboratoires Dolby, mais par des moyens différents.
En effet suivant l'invention, on procède à l'addition des signaux provenant des trois parcours composant l'expanseur. Pour un signal de faible amplitude, ce sont les circuits directs 11 et 12/10 qui fournissent la fraction la plus importante du signal
de sortie .
Dans le cas d'un signal d'entrée du niveau élevé, c'est le parcours actif qui fournit la fraction la plus importante du signal de sortie. Le circuit actif est un expanseur, par exemple du type NE 571
ou analogue, avec un taux d'expansion de 2/1. Le circuit expanseur actif 15 comprend un redresseur 4 et une cellule amplificatrice à gain variable 5, suivie par un amplificateur opérationnel non représenté à la figure 4 car il n'est pas indispensable à la bonne compréhension du système. Son gabarit de transfert est donné par la figure 6. Lors de l'application d'un même signal d'entrée aux circuits 4 et 5 à la figure 4 et qu'on en augmente l'amplitude, le condensateur 7 se charge avec
un potentiel croissant correspondant qui commande la cellule à gain variable pour augmenter son gain. Lorsque le signal d'entrée décroît, le condensateur 7 se décharge à travers une résistance interne du circuit 15, de l'ordre de 10 kohms et il provoque donc une réduction du gain. Le circuit 15 est calculé de façon à offrir un
taux de variation de 2/1. De même, pour un signal d'entrée de 0 dB, il donne un signal de sortie de 0 dB. De part et d'autre de ce point, la variation est de 2/1. Pour faire varier la position de ce point de niveau
égal, on peut agir sur les entrées des circuits 4 et 5
ou sur la sortie du dispositif 15. Il semble préférable d'agir sur l'entrée du circuit 4 afin d'éviter une production de bruit de fond supplémentaire et d'éviter une surmodulation de la cellule 5.
Il a été indiqué précédemment que la courbe
de transfert à la figure 5 devient linéaire à partir d'environ - 10 dB, c'est-à-dire donc que le gain de la cellule 5 devient stable. Ceci est réalisé en bloquant
à un niveau approprié la tension au condensateur 7 à l'aide de la diode de Zener 6 en parallèle.
A la figure 7, on constate que l'action de
la diode de Zener 6 commence à un niveau d'environ - 10 dB de l'entrée .
La caractéristique de transfert de la partie active est illustrée à la figure 8, courbe 1. Il faut encore diminuer le facteur d'expansion et la correction de la caractéristique de transfert en dessous de -40 dB. Pour diminuer le taux d'expansion, un circuit passif à transfert linéaire est connecté en parallèle avec le circuit actif. C'est le rapport entre les résistances
à la figure 4 qui détermine le taux d'expansion. Dans le présent cas,on choisit un rapport donnant un taux d'expansion de 1,3. La caractéristique linéaire produite par la résistance recoupe à un niveau -35 dB la caractéristique non linéaire de l'expanseur, comme indiqué par les courbes 2 et 1 à la figure 8. La courbe 3 est la somme des courbes 1 et 2. Par suite de l'éloignement exponentiel de la courbe 1, la caractéristique devient linéaire à partir de -40 dB.
Tel que décrit ci-dessus, le système réducteur de bruit a pour défaut intrinsèque de ne travailler qu'avec une seule constante de temps en ce qui converne
<EMI ID=2.1>
de temps résulte de la résistance interne du circuit redresseur (environ 10 kohms) et la capacité externe de celui-ci. Avec une constante de temps de l'ordre de
30 milisecondes on obtient des résultats avantageux, mais il faut éliminer les fréquencex basses avant l'entrée
du redresseur pour éviter des distortions et par conséquent ces fréquences basses doivent passer par un circuit de filtre passe bas pour les représenter à la sortie.
Un autre inconvénient apparaît quand l'expanseur est confronté à des signaux impulsifs à haute énergie, comme dans le cas des sons d'un piano. En effet, cette énergie est suffisante pour charger complètement le condenseur du redresseur, avec pour résultat l'entrée en action de l'expanseur. Le son atteignant rapidement à nouveau le niveau zéro, tandis que le condensateur ne
se décharge que plus lentement, le souffle ou bruit
de fond devient audible pendant une fraction de seconde, ce qui entraîne un effet de "pompage" du souffle très gênant . La solution à ce problème consiste à modifier les temps d'attaque et de déclin en fonction de la nature du signal à traiter.
Une première solution possible est illustrée à la figure 11 et consiste à décharger le condensateur C3,couplé au circuit redresseur de l'expanseur, très rapidement quand le signal d'entrée tombe brusquement à un niveau faible ou nul. L'entrée 1 du circuit applique le signal provenant du filtre passe-haut de l'expanseur à un redresseur deux alternances. Une première constante de temps est fixée par un condensateur Cl et une résis-
<EMI ID=3.1>
positif de décharge lors de la diminution du signal d' entrée. Cette cellule est suivie par un circuit différentiel à sortie bloquée en niveau par une diode Dl pour les tensions négatives. Une croissance brusque de la tension au condensateur Cl n'a pas d'effet à la sortie du circuit différentiel tandis qu'avec une chute brusque de cette tension, une impulsion négative apparaît à la sortie. La longueur de l'impulsion est fixée par un condensateur C2 et une résistance R2 et cette constante de temps doit être plus brève que celle de la cellule précédente, pour une action différentielle. Un circuit Al inverse l'impulsion et l'applique à un transistor à effet de champ devenant conducteur lors de l'application d'une tension positive à son gâte, ce qui provoque la décharge du condensateur C3 par la résistance R5.
Une deuxième solution possible est illustrée
à la figure 12. Dans ce cas, on détecte le niveau du signal avec un détecteur de crête formé par un ampli-ficateur Al, une diode Dl et un condensateur Cl. Une
<EMI ID=4.1>
teur Cl après sa charge au niveau du signal d'entrée provenant d'un redresseur deux alternances.Le signal
est alors envoyé par un étage tampon dans une résistance R2 et charge un condensateur C2. Lors d'une variation brusque de sens positif du signal d'entrée, le courant traversant R2 y engendre une chute de tension qui, si elle dépasse la tension limite d'une diode D3 connectée en série avec une résistance R3 en parallèle avec R2, rend cette diode conductrice avec pour résultat la charge du condensateur C2 à travers une résistance de valeur fixée par la mise en parallèle de R2 et R3. Lors de cette charge, un point est atteint où la tension est inférieure à la tension limite de D3, celle-ci se bloque et isole la
<EMI ID=5.1>
permet de terminer la charge du condensateur . Lors d'impulsions négatives, avec un déclin du signal, le condensateur se décharge à travers R2 et l'impédance de l'étage tampon (environ 10 ohms). Le courant de décharge étant élevé lors d'une chute brusque du signal, la chute de tension dans la résistance R2 est suffisante pour rendre conductrice la diode D2. Aucune résistance n'étant prévue dans ce circuit, à l'exception de l'impédance de sortie de l'étage tampon, le condensateur se décharge immédiatement à travers la diode. Le condensateur se décharge jusqu'au niveau de la tension momentanée à la sortie de l'étage tampon. Cette décharge se fait à la vitesse du déclin du signal pour autant que la constante de temps Cl/Ri soit suffisamment brève par rapport au déclin du signal.
La sortie 3 du circuit de commande est connectée dans ce cas à l'entrée de la cellule à
gain variable.
Pour adapter la constante de temps à la fréquence du signal, on peut prévoir plusieurs circuits identiques traitant chacun une gamme de fréquences particulière . Les gammes peuvent être choisies avec des
filtres passe-bande. Il est ainsi plus facile d'adapter
les constantes de temps aux signaux à traiter.
Après passage par le système réducteur de
bruit de fond, les signaux parviennent au décodeur de canaux. Dans celui-ci, illustré à la figure 9, le signal d'ambiance est décodé par soustraction des canaux gauche
et droit à l'aide d'un amplificateur d'instrumentation
formé par des circuits 8, 9 et 10, cette configuration offrant une même impédance d'entrée sur chacune des
entrées. De plus,on obtient une forte réjection de mode commun avec un tel amplificateur.
Le circuit 5 est un simple sommateur faisant l'addition des canaux gauche et droit pour rétablir le
canal central qui est déphasé de 180[deg.] par rapport aux
canaux gauche et droit. Dans le cas d'une grande salle d'écoute, on peut aussi produire des canaux centre-gauche
et centre-droit à partir des trois canaux précédents
au moyen de circuits de soustraction 6 et 7. La canal central déphasé de 180[deg.] est soustrait du canal gauche
pour former le canal centre-gauche et du canal droit pour former le canal centre-droit. Les circuits 3 et 4 sont
des inverseurs de phase interposés dans les lignes des canaux gauche et droit afin de rétablir la phase correcte entre les divers canaux de sortie 11,12,13,14,15 et 16.
Le circuit de retard pour le signal d'ambiance est illustré à la figure 10. Il s'agit d'un circuit
de retard analogique et non numérique. Le signal d'entrée A traverse d'abord un filtre passe-haut 1 qui élimine les fréquences basses en dessous de 100 Hz, car elles possèdent une trop grande amplitude pouvant entraîner des distorsions. Ensuite le signal est comprimé dans un circuit compresseur 2, à la sortie duquel le signal passe par un filtre passe-bas du type Butterworth du sixième ordre avec une fréquence de coupure de 13 kHz,
ce qui permet d'éviter une distortion de "fold-over". Après adaptation de niveau dans un circuit 4, les signaux parviennent aux circuits de retard 5 et 6, du type "bucket brigade" ou mémoires analogiques à registres. Ces mémoires sont commandées par une bascule 9 rythmée par
un oscillateur 7 à fréquence fixe suivi par un circuit diviseur variable 8. On peut faire varier la fréquence d'échantillonnage entre 40 et 400 kHz, ce qui permet des retards de 10 à 100 millisecondes. Ensuite, les signaux traversent un filtre passe-bas de type Butterworth du
8e ordre avec une fréquence de coupure de 10 kHz, qui élimine tout composant de la fréquence d'échantillonnage, puis les signaux sont amplifiés par un circuit 11 et appliqués à un circuit expanseur 12, qui agit à l'inverse du circuit compresseur 2 pour rétablir les signaux originaux. Cette compression-expansion permet un gain de dynamique et une réduction du bruit de fond dans le circuit de retard de l'ordre de 30 dB.
Les signaux sont encore envoyés à divers correcteurs et enfin aux amplificateurs de puissance pour pouvoir attaquer les reproducteurs sonores disposés aux endroits appropriés de la salle d'écoute.
Il doit être entendu que la présente invention n'est en aucune façon limitée aux formes de réalisation ci-avant et que bien des modifications peuvent y être apportées sans sortir du cadre du présent brevet.
Par exemple, il est possible de coder les signaux avant enregistrement, pour obtenir l'effet de réduction de bruit de fond, en les faisant passer par un système réalisant une compression symétrique de l'expansion effectuée dans le système expanseur du réducteur de bruit du bloc B. Ce système compresseur est alors conçu de manière inverse du système expanseur.
REVENDICATIONS
1. Processeur de signaux audio enregistrés, caractérisé en ce qu'il comprend un préamplificateur assurant une sélection et une définition de bande des signaux audio provenant d'un lecteur d'enregistrement,
un réducteur de bruit, un décodeur permettant d'obtenir à partir de signaux d'entrée stéréo avec une information dite spatiale ou "surround", les signaux de gauche, de centre, de droite et éventuellement d'ambiance, et un ou des étages de sortie pour l'attaque des reproducteurs sonores.