La naissance de la pédale de délai analogique : le BBD

Après l’article sur les origines du délai et le fonctionnement des échos à bande, on va aujourd’hui s’attaquer au délai à BBD ! Cette petite puce a été la première solution permettant de proposer des délais en format pédale d’effet.

Comme on a fait avec les échos à bande, on va construire progressivement un schéma complet de délai à BBD. On va d’abord partir d’un schéma simple, puis lui rajouter des blocs au fur et à mesure.

fonctionnement

la puce bbd

On l’a déjà vu dans le premier article, donc on va réexpliquer rapidement le principe de fonctionnement du BBD.

Dans la puce, on trouve une série de transistors qui vont jouer le rôle d’interrupteurs. Ces interrupteurs sont pilotés par une clock externe. Ils vont ainsi permettre de faire passer le signal de condensateurs en condensateurs, qui peuvent stocker une charge électrique. On associe souvent ce principe à la technique du Bucket Brigade, qui consiste à faire passer de l’eau de seaux en seaux pour la déplacer.

En réalité, on a 2 clocks qui sont en opposition de phase. Chaque clock contrôle un interrupteur sur 2, ce qui fait que lorsque qu’un interrupteur laisse passer le signal, le suivant ne laisse pas passer. Le signal reste donc coincé dans le condensateur, jusqu’à ce que la clock change d’état et fasse passer le signal dans le condensateur suivant.

Il existe plusieurs topologies de BBD, qui ont quelques différences dans leur fonctionnement, tout en restant très similaires. On ne va pas rentrer dans les détails, mais pour ceux que ça intéresse, ElectroSmash explique un peu les différentes topologies. Nous on va plutôt s’intéresser au reste du circuit, qui permet le bon fonctionnement de la puce et de créer la signature sonore de la pédale.

le bbd, réellement analogique ?

En stockant une charge électrique dans un condensateur à chaque coup d’horloge, le BBD fait donc un échantillonnage du signal. Il va garder en mémoire la valeur qu’a notre signal seulement à certains moments, à intervalles de temps régulier (à la fréquence de la clock). On a donc plus un signal continu (analogique), mais un signal échantillonné !

On va voir que cet échantillonnage nous apporte pas mal de problèmes, que l’on rencontre d’habitude lors d’une numérisation, comme du repliement de spectre.

C’est cela qui me fait dire que le BBD est plutôt analog-voiced que 100% analogique. Mais ce n’est pas numérique non plus ! Car un signal numérique est aussi quantifié. C’est-à-dire que chaque échantillon ne peut pas prendre la valeur qu’il veut. Il ne peut être arrondi qu’à certains paliers, qui sont généralement associés à des nombres qui pourront être ensuite traités par un processeur.

Dans le BBD ce n’est pas le cas, nos échantillons peuvent avoir n‘importe quelle valeur, ils ne sont pas quantifiés.

la clock

On a donc besoin de 2 clocks opposées pour contrôler un BBD. Le plus simple est de créer un LFO avec quelques composants analogiques qui sort un signal carré. Puis de placer un inverseur pour créer notre deuxième clock.

On peut aussi utiliser un microcontrôleur qui va générer nos signaux de clocks. Ça permet de gérer le temps numériquement (mais le signal lui reste dans le BBD, il n’est pas numérisé !). On peut ainsi ajouter pas mal d’options comme un tap tempo, sauvegarder plusieurs presets, du MIDI…

Sa fréquence doit être assez élevée, notamment pour ne pas créer de repliement de spectre (on explique tout ça dans le paragraphe « filtre anti-repliement »). On ne peut donc pas retarder un signal très longtemps avec un BBD.

En rajoutant la clock, et une boucle de feedback comme on l’a fait dans les articles précédents, on obtient ce schéma :

conditionnement du bbd

On arrive donc à retarder un signal avec une puce BBD et une clock externe. Mais pour que ça fonctionne vraiment bien et pour avoir un son correct en sortie, on a besoin de rajouter quelques éléments.

le filtre de reconstruction

Comme on l’a vu, le signal en sortie du BBD est échantillonné. Il est composé d’une succession de paliers qui forment des cassures dans notre signal. Ces cassures sont synonymes de contenu harmonique important, et donc de saturation ! On va devoir mettre un filtre passe bas en sortie du BBD, qui va atténuer ces harmoniques, et ainsi lisser le signal pour lui redonner son aspect « analogique ».

Mais l’effet secondaire de ce filtre est qu’il risque aussi d’atténuer le contenu harmonique de notre signal d’origine, et donc de couper des aigus. Il faut donc trouver le bon compromis entre lisser suffisamment le signal pour réduire la saturation, mais pas trop pour ne pas couper trop d’aigus. C’est ce qui est en partie responsable des répétitions sombres et détériorées caractéristiques du BBD !

le filtre anti repliement

Un problème que l’on va avoir est le repliement de spectre. Ce problème est directement lié à l’échantillonnage que l’on a fait avec le BBD. Si la fréquence du signal en entrée est trop élevée par rapport à la fréquence de la clock, on risque de créer des nouveaux signaux indésirables en sortie.

Pour éviter le repliement, il faut respecter ce que l’on appelle le théorème de Shannon. Ce théorème dit simplement que la fréquence d’échantillonnage (donc de la clock) doit être au minimum 2 fois plus rapide que la fréquence du signal en entrée.

On peut donc se dire qu’il suffit de choisir une fréquence de clock assez rapide pour éviter le repliement, même avec les notes les plus aigus de la guitare. Seulement, le signal d’une guitare n’est pas une simple sinusoïde ! Chaque note comprend plusieurs harmoniques à différentes fréquences. Et donc même si la fréquence fondamentale de la note que l’on a jouée respecte bien le théorème de Shannon, ses harmoniques, elles, peuvent créer du repliement. Il faut donc éviter de faire rentrer ces harmoniques dans le BBD.

Pour ça, on utilise encore un filtre passe bas, mais cette fois à l’entrée du BBD. Ce filtre va être dimensionné pour couper toutes les harmoniques qui ne respectent pas le théorème de Shannon.

C’est pour ça que les délais à BBD sont limités en temps, en général quelques centaines de millisecondes. Pour augmenter le temps du délai, on ralenti la clock. Si on la ralentit trop, même les fréquences fondamentales des notes jouées ne respecteront plus le théorème. Plus on ralenti un délai, plus on va créer des signaux non voulus qui vont se mélanger au son d’origine. La seule solution est de mettre plusieurs puces BBD en série, mais ça augmente aussi le prix de la pédale.

le compandeur

Le BBD est une puce réputée pour apporter pas mal de bruit blanc en sortie. Pour réduire le niveau de bruit en sortie du BBD, on peut utiliser un compandeur. Le mot compandeur vient de la contraction de compresseur et expandeur. L’idée est de placer un compresseur (oui, comme la pédale d’effet !) avant le BBD, puis un expandeur (l’inverse d’un compresseur) après.

Pour comprendre comment un compandeur va permettre d’obtenir moins de bruit en sortie, on va d’abord expliquer 2-3 choses :

quelques définitions

Le SNR : Signal/Noise Ratio, ou Rapport Signal/Bruit. C’est ce qui permet de quantifier le bruit que comporte un signal. On fait le rapport entre l’amplitude du signal et l’amplitude du bruit. Plus l’amplitude du signal sera grande par rapport à celle du bruit, et plus il le recouvrira et rendra le bruit moins audible.

Le compresseur : Il permet de réduire la dynamique d’un signal. C’est-à-dire que lorsque le signal devient trop faible, le compresseur va venir l’amplifier pour qu’il garde environ la même amplitude. On va donc avoir moins de dynamique et plus de sustain.

L’expandeur : A l’inverse du compresseur, lorsque le signal s’affaiblit, l’expandeur va encore plus l’atténuer. Il va donc augmenter la dynamique et réduire le sustain. Si on le place après un compresseur, on va donc retrouver la dynamique qu’on avait au départ.

réduire le bruit du bbd avec un compandeur

Maintenant qu’on sait ce qu’est le SNR, et comment fonctionne un compandeur, on va voir son impact sur le BBD.

Sans utiliser de compandeur, on voit que le BBD ajoute un bruit constant sur notre signal. Au moment où on attaque la corde, ce n’est pas trop grave. Mais quand la note s’atténue, le signal n’est plus assez fort pour couvrir le bruit.

Avec un compandeur, le signal dans le BBD a toujours une amplitude élevée. Donc le bruit est toujours bien recouvert par le signal. Ainsi, lorsque l’expandeur va redonner de la dynamique au signal, le bruit va aussi se retrouver atténué lorsque l’amplitude du signal baisse. On a un meilleur SNR !

les filtres shelving

On retrouve souvent ces filtres directement en entrée et en sortie de la pédale. Ce sont des filtres passe haut et passe bas qui ont la particularité de fonctionner de manière complémentaire. En entrée, le passe haut va booster les aigus, ce qui permettra de mieux recouvrir le bruit dans le BBD. En sortie, le passe bas va les atténuer, redonnant ainsi la réponse en fréquence originelle.

Et placés sur notre schéma blocs :

Et voilà, on a construit un délai à BBD !

conclusion

Même si le BBD est réputé être la solution analogique pour créer un délai compact, on voit qu’on se retrouve quand même avec beaucoup de contraintes similaires à une numérisation. Ça lui rajoute pas mal d’éléments (filtres, compandeur), qui font vite monter le prix de la pédale.

Pour résumer cet article en quelques phrases, on doit retenir que plus on rallonge le temps, plus la puce BBD va ajouter du bruit. On est donc limité en temps et c’est pour cela que la plupart des délais à BBD font généralement quelques centaines de millisecondes.

La seule solution pour réduire le bruit est de rajouter un filtre passe bas. On doit donc faire le choix entre créer un délai avec des répétitions sombres mais peu bruyantes, ou plus claires mais avec du bruit.

La solution pour augmenter le temps de délai en gardant un taux de bruit correct est de mettre plusieurs puces BBD en série, pour retarder davantage le signal en gardant la même vitesse de clock. Mais dans ce cas c’est le prix de la pédale qui augmente !