Sources de bruit entre équipements audio

Ce texte a été initialement posté dans le topic de la Hi-Fi le 11 mars 2017 par e-t172.

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Boucles de terre

C'est de loin la cause de bruit la plus courante. Si vous entendez des grésillements bizarres quand vous faites certaines actions sur votre PC (bouger la souris, lancer un jeu, lire une vidéo…), alors il y a 99% de chances que vous vous trouvez dans le cas décrit dans cette section.

Une boucle de terre apparaît lorsque les conditions suivantes sont toutes réunies :

• Un câble relie les deux appareils audio.
• Ce câble relie les masses des deux appareils. C'est typiquement le cas sauf câble « trafiqué » (voir plus bas).
• Les deux appareils ont leurs masses également reliées par un autre chemin. Typiquement il s'agit de la prise de terre, ce qui explique pourquoi un appareil démuni de prise de terre (classe II) est rarement sujet à ce problème. Malheureusement une enceinte active pro, telle qu'une JBL LSR30x, est typiquement un appareil de classe 1 doté d'une prise de terre.

Dans ces conditions, une partie du courant qui circule dans les appareils va exploiter ce nouveau chemin et retourner à la masse à travers le câble reliant les deux appareils, au lieu de simplement s'écouler normalement à travers les masses internes des appareils eux-mêmes. Comme le dit un fameux adage : « les électrons sont têtus et ils ne lisent pas les schémas ».

Une boucle de terre en elle-même n'est pas un problème si elle passe à travers des conducteurs qui ne sont pas utilisés pour transporter le signal ; c'est le cas par exemple des liaisons audio symétriques.

Par contre, si la boucle de terre passe par un conducteur qui fait partie du signal, par exemple le shield dans une liaison asymétrique (qui est utilisé pour la référence du signal), le courant parasite va provoquer une tension dans le conducteur (loi d'ohm). Cette tension parasite est indistinguable du signal et se retrouve donc sous forme de bruit.

La nature et l'intensité du bruit dépend des impédances des différents chemins de retour vers la masse, qui dépendent de la topologie interne des appareils et de l'impédance du câble. La situation peut donc être très différente d'un cas à l'autre. Le bruit dépend également de l'intensité des courants qui cherchent à retourner vers la masse, qui dépendent à leur tour de l'activité électrique dans l'appareil. Cela explique pourquoi le bruit a tendance à changer lorsque l'activité de l'appareil change. Par exemple, lancer un jeu vidéo va avoir un énorme impact sur la consommation électrique du GPU d'un PC, et va donc avoir des conséquences sur la quantité de courant qui retourne vers la masse, et donc sur le bruit.

Interférences basse fréquence

Par « basse fréquence » je veux dire dans les environs de 20Hz-20kHz. Dans ces fréquences là, nous baignons tous dans des champs électriques divers et variés, souvent causés par la tension secteur (50 Hz) et des harmoniques souvent causées par des alimentations à découpage (telles que celle d'un PC).

Le risque ici est que le câble se comporte une antenne dipolaire, où un pôle de l'antenne est représenté par le conducteur portant le signal et l'autre pôle est représenté par la masse de l'appareil. Une manière équivalente d'exprimer ça est de dire qu'il y a une capacité parasite entre le signal et la masse.

Le shield d'un câble, en lui-même, est incapable d'arrêter ces champs électriques parce que la fréquence est trop basse et le shield est trop fin. Pour que le shield fasse son effet il faut qu'il soit connecté à la masse - en effet, dans ce cas la géométrie de l'antenne est modifiée de telle sorte que la sensibilité au champ électrique devient négligeable.

Il arrive souvent que le bruit lié à ces interférences disparaisse dès lors que le câble est branché à une sortie audio alimentée. Cela est lié au fait qu'une sortie audio typique est implémentée par le biais d'un amplificateur opérationnel doté d'un circuit de contre-réaction (negative feedback) qui corrige toute déviation en sortie. Comme une interférence induit une tension parasite qui est « visible » des deux côtés du câble (contrairement à un courant de masse), le bruit causé par l'interférence est automatiquement « corrigé » par l'amplificateur opérationnel, qui envoie une tension opposée pour compenser. Si le câble est débranché, ou si la sortie audio est éteinte, le bruit revient.

Interférences haute fréquence

Il s'agit là d'interférences au-delà voire très au-delà de 20 kHz, jusqu'à 1 GHz environ. Par exemple radio, TV hertzienne, ou téléphones portables.

Bien que ces interférences soient en dehors du spectre de l'audible, elles peuvent malgré tout causer des bruits dans la bande audio parce que les semiconducteurs qui équipent les entrées et sorties audio ont la fâcheuse tendance de démoduler spontanément ces signaux et le résultat se retrouve dans la bande audible. C'est la cause du fameux « tididip tididip tididip » qu'on entend lorsqu'un téléphone portable 2G est utilisé à proximité de matériel audio sensible.

La sensibilité des appareils à ce phénomène est très variable et dépend des composants utilisés, de la qualité du filtrage en entrée (s'il y en a) ainsi que du comportement de la contre-réaction de l'étage de sortie (cf section précédente) dans les hautes fréquences.

Un simple shield, même flottant est capable d'arrêter ce type d'interférences. La difficulté, c'est qu'il faut que le shield soit continu, opaque et sans « trous ». En effet, à ces fréquences-là, la longueur d'onde est très courte et ces signaux peuvent donc s'immiscer dans des discontinuités dont les dimensions se comptent en millimètres. La qualité du câble et des connecteurs joue donc un rôle prépondérant.

Solutions

Avant toute chose, rappelons que les sources de bruit décrites ici sont constantes, dans le sens où elles ne varient pas en fonction du volume de la source. Pour cette raison, plus le signal (tension) sur la ligne est élevé, plus le rapport signal/bruit augmente. Il est donc recommandé d'augmenter le volume de la source, tout en diminuant le gain de l'appareil connecté à l'autre bout pour garder le volume final constant. (Par exemple, augmenter le volume général de Windows sur le PC, tout en diminuant le réglage de volume sur l'ampli ou enceinte active.) Cela dit, cette approche atteint vite ses limites : les limites de tension maximale de la source, même avec le volume réglé au maximum possible, ne permettent souvent pas de faire passer le plancher de bruit en-dessous du seuil d'audibilité.

Une liaison purement ‎symétrique (sortie symétrique, câble symétrique shieldé, entrée symétrique) est de facto immunisée contre tous ces problèmes. Non seulement le câble est shieldé de bout en bout avec liaison à la masse, mais en plus le shield ne transporte pas le signal (les boucles de masse n'ont donc pas d'impact) et si ce n'est pas suffisant, la construction symétrique du câble (paires torsadées, impédances symétriques) permet à l'amplificateur différentiel situé à l'entrée de rejeter toute interférence résiduelle qui aurait réussi à passer outre les barrières susdites (notamment les champs magnétiques). C'est de très loin la solution la plus propre, mais elle n'est pas toujours envisageable pour des raisons d'équipement ou de coût (surtout pour du 5.1). La M-Audio M-Track Hub est une interface stéréo symétrique très bon marché, mais sa réputation n'est pas fameuse.

Il est possible de transformer une liaison asymétrique en liaison symétrique à l'aide d'un transformateur d'isolation, tel que celui inclus dans une DI Box. Pour des résultats optimaux la longueur de la section asymétrique doit être réduite au strict minimum. Malheureusement, un transfo de bonne qualité coûte cher, et un mauvais transfo peut poser des problèmes de qualité sonore (en particulier, non-linéarité dans les basses fréquences). Pour éviter une boucle de masse sur la portion asymétrique il peut être nécessaire de couper la masse entre les deux côtés du transfo, une option que les DI Box offrent sous la forme du "ground lift".

Dans le cas précis d'une boucle de masse dans une liaison asymétrique - symétrique (cas très courant du PC connecté à un ampli de classe II, tel qu'une LSR 30x, ou du branchement à un ampli, voir paragraphe ci-dessous), il existe une troisième solution, plus simple et moins chère : couper la masse au niveau du câble, par exemple à l'aide d'un adaptateur "ground lift" ou simplement en trafiquant le connecteur. Le principe de cette solution consiste à connecter la masse de la sortie asymétrique au "cold" de l'entrée symétrique, mais pas à la masse de l'entrée comme un câble typique le ferait. Comme l'impédance masse-cold est généralement élevée (quelques kiloohms), la boucle de terre est éliminée. En contrepartie, la continuité du shield est compromise, ce qui invite les interférences. Dans la plupart des cas ces dernières seront automatiquement compensées par l'étage de sortie, mais cela ne fonctionne que si la sortie est allumée. Dans le cas d'un PC éteint ou en train de démarrer par exemple, il y a fort à parier que du bruit audible sera généré.

La solution décrite au paragraphe précédent est facile à mettre en place dans le cas d'une entrée symétrique connectée à une sortie amplifiée, car il suffit, du côté de l'ampli, de ne simplement pas brancher le shield (blindage) du câble à l'ampli ; ça revient alors au même qu'utiliser l'adaptateur ci-dessus. Notons que cela n'est possible que si un câble symétrique (trois conducteurs) est utilisé, et pour cette raison il est recommandé d'utiliser ce genre de câble lorsqu'on souhaite se connecter à une sortie amplifiée. Pour éviter au maximum l'incursion d'interférences électromagnétiques, il est de bon ton de s'assurer que la section dénudée (non protégée par le shield) soit la plus courte possible.

Dans le cas particulier d'une carte son USB, il existe une solution presque aussi propre qu'une liaison symétrique : l'USB Isolator. Il s'agit d'un transformateur d'isolation, même principe donc qu'une DI Box, mais sans les inconvénients : l'isolation se fait au niveau de la liaison numérique USB, pas au niveau de la sortie analogique, il n'y a donc aucun impact sur la qualité sonore. C'est une excellente solution qui est plus propre qu'un « câble trafiqué » tel que décrit ci-dessus, mais un peu plus chère. On notera néanmoins qu'un isolateur USB peut poser des problèmes de compatibilité avec certaines cartes son.