PrismXT : AGC Audio 2x6 bandes basé sur Prism FM et Orban XT2

Objectif : Réalisation d'un AGC 2x6 bandes en s'inspirant des processeurs M102 des Prisms Texar et du crossover 6 bandes de l'extension XT2 de l'Orban 8100A/1.

Audio Prism : Principe de fonctionnement

Le Prism est un AGC 4 bandes conçu par Glen Clark au milieu des années 80, il utilise comme VCA des optocoupleurs analogiques, les Vactrols VTL5C3. L'emploi de ces composants présente l'avantage de limiter au strict minimum le nombre d'éléments traversés par le signal audio et d'obtenir ainsi une distorsion très faible et un excellent rapport signal/bruit.

AGC : M102

Le contrôle des VCA est réalisé à l'aide de deux rectifieurs RMS, de trois détecteurs de niveau et d'un détecteur de crête, suivis de composants logiques et d'un convertisseur exponentiel pour alimenter la LED de la VTL5C3.
Cette partie du Prism est appelée par Texar "processeur M102", elle met en oeuvre un AGC dont les actions reposent sur quatre seuils de référence :
S1 (signal) qui est défini par le réglage "gate", S2 (exp) par "density", S3 (comp) et S4 (peak) qui sont figés en interne.

  IN  --+---RectRMS-------[<S1]=>NoSignal-+-Delai---> Quescient (retour point milieu)
        |                                 |
       VCA                                +---------> Gel Exp & Comp
        |
        |             +---[<S2]=>Exp----------------> Exp lente
  OUT --+---RectRMS---|
        |             +---[>S3]=>Comp---------------> Comp lente
        |
        +-----------------[>S4]=>Peak---------------> Comp rapide

  

Ce mécanisme de contrôle ne permet pas de contenir les pics de signal d'entrée lorsqu'ils dépassent plusieurs décibels, ce qui est plus dans le rôle d'un limiteur. La mission de l'AGC est de réguler le niveau moyen du signal le plus discrètement possible, c'est à dire sans effet de pompage et sans augmenter exagérément la densité du son. Le processeur M102 des Prisms remplit particulièrement bien cette mission.

Crossover

Les M102 des Prisms sont connectés à la sortie d'un crossover quatre bandes réalisé à partir de filtres d'ordre 2 mais dont les caractéristiques sont calculées de manière un peu approximative. La bande passante du signal de sortie obtenu après la somme des quatre bandes et le passage dans les M102 présente d'importantes irrégularités avec des creux de plusieurs décibels. Des problèmes de phases sont également mis en évidence en fonction de l'action des VCA.

Ce point constitue le principal point faible des Prisms mais il contribue aussi à leur donner ce son particulier et difficilement imitable auquel une génération d'auditeurs s'est habitué.

Optimod 8100A/1 - XT2

Le début des années 80 a vu naître l'Optimod 8100A et quelques années plus tard son extension multibandes XT, puis XT2.
L'arrivée du 8100 fut une avancée importante dans le domaine du traitement de son radio et l'utilisation de ce processeur analogique est encore fréquente sur de nombreuses antennes. Malgrés des parties gardées confidentielles, la description et les schémas des produits créés par R. Orban, tel que l'Optimod 8100, représente une source d'informations, d'inspiration et d'astuces pour tout passionné du domaine.
La documentation fournie par Orban au sujet du XT2 étant très complète et détaillée, le propos n'est bien sûr pas ici d'en décrire le fonctionnement mais juste d'en évoquer brièvement une spécificité utile au projet.

Le chassis XT2 est un limiteur 6 bandes, il comporte 5 limiteurs et 4 clippers et travaille sur un signal préaccentué pour une diffusion en FM. Son crossover est réalisé à l'aide d'un ensemble de filtres d'ordre 3 dont les valeurs sont calculées très finement. Un filtrage d'ordre 1 est ensuite appliqué après limiteurs et clippers pour atténuer les harmoniques générées par ces derniers. Le choix des valeurs et la réalisation de l'ensemble de ces filtres permet d'obtenir une bande passante ne présentant aucun creux ni aucune accentuation de plus de 0,5db entre deux bandes et ce quelque soit la réduction de gain appliquée par les compresseurs/limiteurs. Les caractéristiques de ce crossover le rapprochent donc de celles d'un crossover "idéal".

AGC 6 bandes : le "PrismXT"

Les points évoqués plus haut au sujet des Prisms FM et du XT2 nous amènent à l'idée de combiner les avantages technologiques de ces deux processeurs pour réaliser un AGC multibande plus précis que le Prism FM, qui réutilise le principe du M102 tout en bénéficiant des qualités du crossover Orban.

Choix techniques

Afin de limiter les coûts et de simplifier un projet déjà très lourd pour une réalisation artisanale, le choix a été fait de calculer les valeurs des composants de manière à rester assez proche des timings et des niveaux utilisés par les Prisms. La seule difficulté reste donc essentiellement d'adapter les spécificités des M102 et surtout le crossover XT2 qui n'est à l'origine pas conçu pour travailler sur un signal non préaccentué.

Cette approche visant à réutiliser les choix effectués par le concepteur des Prims présente l'inconvénient de fixer bons nombres de paramètres qu'il serait tentant de pouvoir tester au préalable, mais augmente aussi les chances d'aboutir beaucoup plus rapidement à un système opérationnel sans devoir rechercher pendant des mois des valeurs expérimentales menant à un résultat incertain. L'étape de conception du PrismXT fut donc relativement courte car uniquement théorique ; aucune maquette n'a été réalisée pour simuler ou tester son comportement futur.

Réalisation

Le but était de regrouper dans un chassis 1U l'ensemble du système comprenant l'équivalent des douze cartes M102, les filtres du XT2, les entrées/sorties et l'alimentation.

Tout comme sur les Prisms, des voyants "C" et "E" signalent les opérations de compression/expansion et un vu-mètre de 10 leds indique le niveau de compression par canal pour chaque bande. Par contre la détection du signal "S" et le passage au mode quiescent "Q" sont communs aux canaux gauche et droit afin d'éviter les effets de bascule G/D sur certaines introductions de titres notamment. Une autre différence par rapport aux Prisms est de proposer un réglage de densité indépendant pour chaque bande, ce qui autorise par exemple de régler une densité plus élevée dans les basses fréquences tout en gardant des hauts médium légers et moins fatigants. Enfin un réglage global de "soft clipping" est ajouté en façade. Le clipper utilisé est de même nature que celui du XT2 mais modifié de manière à le rendre moins agressif, le signal n'étant pas à cette étape du traitement encore prêt à subir l'action d'un "hard clipper".

La phase de réalisation s'est étalée sur trois mois. Une fois la conception du circuit imprimé des M102 terminée, trois cartes simple face ont été effectuées en parallèle contenant chacune quatre équivalents de processeurs M102.

Les filtres du crossover ont été réalisés sur une plaque double face afin de limiter au maximum le cablage. Ce circuit reprend en partie celui du projet de copie de XT2 auxquels sont venus se greffer des préamplificateurs d'entrée sur le mixeur final (post VCA).

L'étude des circuits imprimés de façade fut ensuite étroitement liée à la conception de la face avant du chassis sur laquelle il fallait concentrer l'ensemble des indicateurs et commandes de niveaux. Deux circuits imprimés superposés contiennent l'électronique de commande des 156 leds de façade. Le perçage et les sérigraphies de la face avant en aluminium ont été confiés à une entreprise spécialisée.

Premiers tests et impressions

Comme le montre la vue globale ci-dessus, le cablage d'une carte à l'autre est réalisé de manière fixe et sans connecteur dans un but de simplification. Il était donc fortement préférable que peu de modifications soient nécessaires sur le système après la phase d'assemblage. Il se trouve que par chance, la mise en route fut relativement rapide et sans encombre.

Après quelques réglages, le PrismXT a pu livrer ses premiers sons....

Assez rapidement, des effets de pompage assez perceptibles sur la bande 5 ont obligé à ralentir de 50% les timings de compression/expansion lentes. Ce phénomène peut s'expliquer par le fait que la plage de fréquence de chaque bande soit plus étroite que sur les Prisms, les VCA sont donc plus facilement soumis à des variations de niveaux (dues au son d'un seul instrument par exemple).

Après cette modification, le PrismXT devint beaucoup plus transparent, se limitant à colorer légérement les pointes comme le font habituellement les Prisms, tout en équilibrant parfaitement le spectre.
Un son assez agréable, à la fois chaleureux et clair, est obtenu en augmentant fortement la densité des trois premières bandes et en diminuant celle des bandes 5 et 6.

Les tests du clipper multibande n'ont pour le moment pas donné de résultats très concluants. Lorsque le PrismXT est suivi de limiteurs et clippers dans la suite de la chaine de traitement (ce qui est généralement le cas), il est préférable de désactiver le "soft clipper" ou d'en régler le seuil suffisamment haut pour qu'il agisse seulement en protection sur des crêtes de niveau important. Cependant, le système de réduction d'overshoot des bandes 5 et 6 n'étant pas encore finalisé, il est possible que ce soft clipper gagne en intérêt par la suite....

Conclusion

L'AGC résultant de cette collaboration virtuelle entre R. Orban et G. Clark présente des aspects globalement très positifs : un excellent rapport signal/bruit, une distorsion très faible et un son qui rappelle celui du Prism FM avec en prime une plus grande impression de clareté et de précision. Couplé à un Optimod 8100, il procure un son très propre et équilibré.

Cependant, certains points parmi les suivants feront surement l'objet de travaux futurs afin d'améliorer ce processeur....

A l'utilisation, on peut par exemple regretter qu'un réglage de niveau de sortie ne soit pas disponible sur chaque bande comme c'est le cas sur les Prisms, même si le paramètrage du threshold apporte indirectement le même résultat.

Le nombre important de bandes de fréquences utilisées peut également être considéré comme un inconvénient à ce niveau du traitement. La plupart des AGC se limitent en effet à 4 bandes maximum afin de ne pas dénaturer ou adoucir trop le son. Un travail sur des options de "band-link" permetterait peut-être de se rapprocher un peu du son traité par un AGC 4 bandes tout en gardant les avantages du 6 bandes en terme de capacité de correction spectrale.

Enfin, une étude et des tests plus approfondis sur le clipper de sortie dans le but de lui faire jouer un rôle plus important que celui d'une simple protection de crête serait à envisager.

Remerciement

Merci à Stéphane H. pour m'avoir fait connaître le Prism FM et surtout pour avoir trouvé un moyen de se procurer les Vactrols VTL5C3, composants rares et indispensables à la réalisation des VCA utilisés dans ce projet.