Préaccentuation / Désaccentuation

Le présent article décrit pourquoi il est nécessaire d'appliquer une préaccentuation sur un signal audio avant sa diffusion avec un émetteur FM, et présente un exemple de mise en oeuvre. 

Préaccentuation et désaccentuation

Préaccentuation (en français) = Preemphasis (en anglais)
Désaccentuation (en français) = Deemphasis (en anglais)

En quoi consiste la préaccentuation ?

Dans le domaine audio, la préaccentuation consiste à augmenter les fréquences aigues, à partir d'une fréquence donnée et avec une augmentation de plus en plus importante au fur et à mesure que la fréquence augmente. Ce qui impose la connaissance de deux paramètres au moins : 

- paramètre indiquant à partir de quelle fréquence le système doit commencer à faire effet : cette fréquence, appelée fréquence de coupure ou fréquence de transition, correspond au point pour lequel on note une amplification du signal de +3 dB.

- paramètre indiquant la force avec laquelle le signal traité doit être amplifié : on parle de pente, qui peut s'exprimer en x dB/octave ou x dB / décade.
La préaccentuation adoptée pour la diffusion FM n'échappe pas à cette règle, et les paramètres retenu pour cette dernière sont les suivants :

- Fréquence de coupure Fc (fréquence à partir de laquelle le signal est augmenté de 3 dB) égale à environ 3180 Hz (correspondant à une constante de temps de 50 us) pour l'Europe, et égale à environ 2120 Hz (correspondant à une constante de temps de 75 us) pour les USA. 

- Pente = 6 dB / octave

Ainsi, avec une préaccentuation de 50 us (fréquence de transition de 3180 Hz), un signal audio de 400 Hz n'est quasiment pas affecté par la préaccentuation, alors qu'un signal de fréquence 1 KHz commence à subir une amplification de l'ordre de 0,4 dB, un signal de fréquence 3,18 KHz subit une amplification de 3 dB, et un signal de fréquence 10 KHz subit une augmentation voisine de 10 dB. La courbe suivante donne un aperçu de l'augmentation du gain du signal audio selon sa fréquence. 



Cette fonction d'augmentation des aigus est assurée dans l'émetteur FM, et s'appelle donc la préaccentuation. Ainsi traité, un signal audio préaccentué possède un supplément d'aigus par rapport au signal original, et ne peut pas être écouté tel quel sur une chaine hifi ou sur un autoradio. Il serait bien trop désagréable à entendre, car trop "sifflant". Avant de l'écouter, il convient d'atténuer les aigus qui ont été préalablement amplifiés, en gardant évidement les mêmes proportions : à une fréquence donnée, l'atténuation à apporter doit être équivalente en valeur absolue, au gain apporté par la préaccentuation. Par exemple, si un signal audio de 10 KHz a été augmenté de 10 dB lors de la préaccentuation, il doit être ensuite atténué de 10 dB pour lui redonner son amplitude d'origine. Cette fonction de réduction des aigus est assurée dans le récepteur FM, et s'appelle la désaccentuation.

En quoi consiste la désaccentuation ?

La désaccentuation est le procédé inverse de la préaccentuation, qui consiste à redonner à un signal audio préaccentué, son contenu fréquentiel d'origine. Cette désaccentuation est assurée dans le récepteur radio, et ne peut pas être désactivée ou modifiée par l'utilisateur. La courbe qui suit montre l'atténuation que l'on fait subir au signal audio selon sa fréquence.



Sans grande surprise, cette courbe est l'exact reflet de la courbe de préaccentuation (en théorie évidement).

Pourquoi faire subir un tel traitement au signal audio ?

D'un point de vue contenu audio pur, une préaccentuation immédiatement suivie d'une désaccentuation peut sembler ne présenter aucun intérêt. Par contre, si entre le circuit de préaccentuation et celui de désaccentuation, le signal audio passe dans un endroit "bruyant" (un traitement audio très ancien, un transport analogique grande distance ou une diffusion FM qui rajoute beaucoup de souffle), cela permet de récupérer au bout de la chaine, un signal audio moins perturbé par le bruit généré par ses maillons. Pour être plus précis, le signal audio est entaché du bruit pendant son transport jusqu'à l'arrivée.

 - c'est un fait et on n'y peut pas grand chose. Mais le procédé final de désaccentuation, en plus de redonner au signal audio son "contenu fréquentiel" d'origine, diminue fortement le bruit ajouté durant son voyage. Au final, on gagne donc sur le rapport signal / bruit.

Fréquence de coupure Vs Constante de temps

Mais pourquoi donc parler d'une constante de temps de 50 us ou de 75 us, alors que les courbes employées pour montrer l'action de la préaccentuation et de la désaccentuation, utilisent quasiment toujours des échelles amplitude / fréquence ? Quelle relation peut-il donc bien exister entre la valeur de la fréquence de coupure et la valeur de la constante de temps ? La réponse est en fait fort simple. La constante de temps est une valeur qui dépend de la valeur d'un circuit RC monté en filtre passe-bas simple de premier ordre (6 dB / octave), tel que le montre le schéma suivant :



La constante de temps, que l'on peut appeler CT ou T ("To", lettre T grecque) répond à une formule mathématique fort simple, qui est la suivante :

CT = R1 ; C1 = 1 / (2 ; Pi ; Fc)

formule que l'on peut retourner de la façon suivante :

Fc = 1 / (2 ; Pi ; R1 ; C1)

Le schéma précédent montre deux choix possibles de composants : 

- association d'une résistance R1 de 50 Kohms avec un condensateur C1 de 1 nF
- association d'une résistance R1 de 5 Kohms avec un condensateur C1 de 10 nF

Dans les deux cas, le produit R1 ; C1 est égal à 0,000050 et correspond à la constante de temps CT du filtre.

Pour une constante de temps de 50 us, on a donc une fréquence de transition Fc du filtre de :

Fc = 1 / (2 ; Pi ; 0,000050) = 3183 Hz

Et pour une constante de temps de 75 us, on a une fréquence de transition Fc du filtre de :

Fc = 1 / (2 ; Pi ; 0,000075) = 2122 Hz

En conclusion, on s'aperçoit que l'on peut très facilement déterminer la valeur des composants à adopter (pour R1 et C1), si l'on connait la constante de temps ou la fréquence de transition, qui sont toutes deux liées entre elles par une formule dont votre cerveau devrait venir à bout sans aucune difficulté.

Remarque : la théorie voudrait que l'on adopte des valeurs précises pour le réseau RC utilisé dans le récepteur FM. En pratique, les valeurs données à R et C sont respectivement de 47 KO et de 1 nF. Ce sont même là les deux valeurs "préconisées" dans certaines documents spécialisés.

En pratique...

Dans le cadre de la diffusion radio en modulation de fréquence, il était hors de question de demander aux utilisateurs finaux d'ajouter un système à leur récepteur radio pour améliorer la qualité d'écoute. Il a donc été décidé d'implémenter le circuit de préaccentuation dans les émetteurs FM. Plus tard, les équipements de traitement de son, purement audio à l'origine, se sont vu intégrer le codeur stéréophonique, qui assure (en même temps que le codage stéréo) la fonction de préaccentuation. Avec un tel type de traitement de son, la fonction de préaccentuation au niveau de l'émetteur FM est devenue inutile, puisqu'on lui fournit un signal déjà préaccentué. Côté récepteur, une cellule de désaccentuation est ajoutée sur la partie audio (juste avant l'amplificateur de sortie) afin de redonner au programme radio sa nature d'origine et ce, le plus fidèlement possible. L'acheteur lambda n'a donc pas à se poser de question, puisque le diffuseur radio s'occupe de la fonction de préaccentuation, et que le fabricant du récepteur radio s'occupe de la fonction de désaccentuation. C'est pourquoi aussi il est important de s'assurer, quand on travaille dans le domaine de la diffusion radio, que la préaccentuation est bien réalisée au départ, pour chaque programme radio diffusé, faute de quoi le son reçu par les auditeurs pourrait être fortement dégradé (manque ou surplus d'aigus). 

Remarque : tout cela est vrai pour une diffusion radio analogique, ce procédé n'est pas utilisé pour la radio numérique DRM, DAB ou DMB.

Mélange malencontreux de 75 us et de 50 us

Que se passe-t-il donc si on applique une préaccentuation de 75 us sur un émetteur FM utilisé en France, et qu'on écoute le résultat avec un récepteur doté d'une désaccentuation à la norme européenne de 50 us ? Ou à l'inverse si applique une préaccentuation de 50 us sur un émetteur FM utilisé aux USA, et qu'on écoute le résultat avec un récepteur doté d'une désaccentuation à la norme américaine de 75 us ?

Préaccentuation de 75 us et désaccentuation de 50 us

La bande passante résultante de la combinaison de la préaccentuation 75 us avec la désaccentuation 50 us n'est pas linéaire, il y a un remontée des niveaux dans les aigus, que l'on peut aisément évaluer avec les courbes suivantes (augmentation d'environ 3 dB à 10 KHz).

Préaccentuation de 50 us et désaccentuation de 75 us

De même, l'utilisation conjointe d'une préaccentuation de 50 us avec une désaccentuation de 75 us provoquera une non-linéarité de la bande passante, cette fois avec une chute de niveau dans les aigus, comme le montre les courbes suivantes (diminution d'environ 3 dB à 10 KHz).

Préaccentuation et désaccentuation de valeurs égales

Avec une préaccentuation de 50 us et une désaccentuation de 50 us (ou avec une préaccentuation de 75 us et une désaccentuation de 75 us), on est en droit d'attendre une parfaite linéarité en bout de chaîne, matérialisée par une ligne bien droite sur la troisième courbe, n'est-ce pas ? Voyons-voir cela :



Tiens, comme c'est curieux... la troisième courbe, représentative de la bande passante en bout de chaîne, présente une atténuation dans le haut du spectre. Mais je vous rassure, on aurait tout aussi bien pu avoir une hausse et non une atténuation, du même ordre de grandeur. En parlant d'ordre de grandeur, il n'y a pas de quoi paniquer, puisque l'atténuation atteint seulement 0,15 dB à la fréquence de 15 KHz (et oui, la courbe présente une échelle verticale fortement dilatée, par rapport aux courbes précédentes). Ce qui d'un point de vue auditif ne risque pas de s'entendre. La raison de ce phénomène ? La tolérance des composants électroniques, qui fait que la fréquence de coupure du filtre de préaccentuation ne sera pratiquement jamais exactement de la même valeur que celle du filtre de désaccentuation. Ce petit "accident" en haut de bande, lié à la non-complémentarité parfaite des deux courbes, n'est donc pas grave du tout, surtout si on le compare aux accidents provoqués par votre système audio et par le lieu d'écoute...

Comparaison avec d'autres systèmes

Il existe d'autres procédés permettant de limiter les effets gênants du bruit ajouté sur le trajet du signal audio, tel que le système de compression de dynamique (appliqué au départ) et d'expansion de dynamique (appliqué à l'arrivé). Ce procédé a été largement utilisé dans les systèmes d'enregistrement audio analogique sur bande magnétique, mais pour être pleinement efficace, les niveaux, les temps de réponse (attaque et relâchement) ainsi que les taux de compression et d'expansion doivent être identiques aux deux extrémités, ce qui n'est pas forcement toujours évident à obtenir avec des moyens simples. Le système de préaccentuation et de désaccentuation est relativement efficace, si on considère les moyens à mettre en oeuvre pour en profiter : une simple cellule RC (résistance + condensateur) suffit en effet, ce qui permet une mise en place à moindre coût dans nombre d'appareils grand public.