Dolby Stereo

      В середине 1970-х Dolby Laboratories разработала технологию объемного звучания для кинопленок формата 35 мм, получившую впоследствии название Dolby Stereo. В отличие от предыдущих систем звука, использующих в качестве носителей звука магнитные дорожки, новая технология предполагала использование оптических дорожек (фото-дорожек) и фотоэлементов вместо магнитных головок. Кинопленки с такими дорожками существовали еще на заре кинематографа, в 30-х годах. На пленке размещалась всего одна дорожка и традиционно она использовалась для передачи монофонического звука. Чтобы обеспечить совместимость стереофонической пленки с монофоническими проекторами, необходимо было разместить две стерео дорожки на том же пространстве, которое раньше занимала одна. Эксперименты показали, что это возможно, если звуковой сигнал перед записью обработать процессором Dolby A-type Noise Reduction. Однако разместить на этом же пространстве более двух звуковых дорожек оказалось невозможным: даже с использованием шумопонижения Dolby уровень шума увеличивался до неприемлемых значений.

Dolby Surround

      Экраны кинозалов к 80-м годам стали огромными. Кроме традиционных правой и левой акустических систем потребовалась третья, центральная, чтобы обеспечить пространственное восприятие для зрителей, сидящих не в центральной части зала. Кроме того, в киноиндустрии термины «stereo» и «surround» с самого начала были синонимами. Следовательно, для кинозала, анонсирующего стереозвук, обязательно требовался четвертый канал — surround channel. Так сформировалась традиционная схема объемного звука в кино: четыре канала - левый (Left, L), правый (Right, R), центральный (Center, C) и пространственный (Surround, S). В распоряжении разработчиков было только два физических канала, в которых необходимо было передать четыре.
      Приемлемым решением оказалась матричная технология, первоначально разработанная для домашних систем квадро. Принципиальных изменения было внесено два. Первое — расположение акустических систем и, следовательно, назначение каналов соответствовали теперь уже традиционной схеме для кинематографа — L,C,R,S. Второе — была серьезно усовершенствована схема аналогового декодера (процессора), в нем были реализованы более интеллектуальные алгоритмы. Так появилась технология Dolby Surround.
      Сегодня формат Dolby Stereo Optical является стандартом пространственного звука для полноэкранного кино. Он используется повсеместно, процессорами Dolby оборудованы десятки тысяч кинотеатров во всем мире. Даже теперь, с появлением цифрового формата Dolby Digital, на кинопленках остаются две аналоговых оптических дорожки Dolby Surround — для обеспечения совместимости со всеми существующими проекторами.
В Dolby Surround кодируется звуковое сопровождение вещательного телевидения, причем не только художественных фильмов, но музыкальных, спортивных передач и даже новостей. Dolby Surround используется и в областях, не связанных с видео - например, звукозаписывающие компании RCA Victor, BMG Classic, Concord Jazz выпустили на рынок CD и аудиокассеты с музыкальными записями в Dolby. Многими разработчиками ведутся успешные эксперименты по внедрению Dolby Surround в видеоигры и другие мультимедийные приложения. Другими словами, системы объемного звука Surround Sound стали традиционными не только в кинотеатрах и в домашней аудио-видео аппаратуре, но и в компьютерах.

Кодер Dolby Surround

      Сразу оговоримся: система не предназначена для передачи четырех независимых сигналов звука, каждый из которых надо прослушивать раздельно (например, звука одной ТВ программы на разных языках). В этом случае развязка между двумя любыми каналами должна была бы быть максимальной, а амплитуды и фазы сигналов могли бы быть совершенно не связаны между собой. Напротив, задача Dolby Surround — передать четыре канала звука (soundtrack), которые будут прослушиваться одновременно и при этом воссоздавать в сознании слушателя пространственную звуковую картину (soundfield). Эта картина составляется из нескольких звуковых образов (sound images) — звуков, которые слушатель воспринимает связанными со зрительными образами на экране. Звуковой образ характеризуется не только содержанием и мощностью звука, но и направлением в пространстве.
      На входе кодера Dolby Surround присутствуют сигналы четырех каналов — L, C, R и S, а на выходах — два канала Lt (left-total) и Rt (right-total). Слово «total» (общий) означает, что каналы содержат не только «свой» сигнал (левый и правый), но и кодированные сигналы других каналов — C и S. Функциональная схема кодера показана на рисунке.

      Сигналы каналов L и R передаются на выходы Lt и Rt без каких-либо изменений. Сигнал канала С делится поровну и складывается с сигналами каналов Lt и Rt. Предварительно сигнал С ослабляется на 3 дБ (чтобы сохранить неизменной акустическую мощность сигнала после сложения его «половинок» в матрице декодера). Сигнал канала S также ослабляется на 3 дБ, но, кроме того, перед сложением с сигналами Lt и Rt он подвергается следующим преобразованиям:
            - Полоса частот ограничивается полосовым фильтром (BPF) от 100 Гц до 7 кГц
            - Сигнал обрабатывается шумоподавителем — процессором Dolby B-type Noise Reduction
            - Сигнал S сдвигается по фазе на +90 и -90 градусов, таким образом, составляющие сигнала S, предназначенные для сложения с Lt и Rt, оказываются в противофазе друг с другом.

      Совершенно ясно, что сигналы L и R не влияют друг на друга, они совершенно независимы. На первый взгляд не столь очевидно, но факт — между сигналами C и S развязка теоретически также идеальная. Действительно: в декодере сигнал S получается как разность сигналов Lt и Rt. Но в этих сигналах присутствуют совершенно одинаковые компоненты сигнала С, которые при вычитании взаимно компенсируются. Напротив, сигнал C выделяется декодером, как сумма Lt и Rt. Так как компоненты сигнала S, присутствующие в этих сигналах, находятся в противофазе, при сложении они также взаимно компенсируются.
      Такое кодирование позволяет передать сигналы S и C с высокой степенью развязки при одном условии: если амплитудные и фазовые характеристики физических каналов, по которым передаются сигналы Lt и Rt, абсолютно идентичны. Если имеется некоторый дисбаланс между каналами, развязка уменьшается. Например, если компоненты сигнала С в каналах Rt и Lt из-за разных характеристик каналов передачи окажутся неодинаковыми, произойдет нежелательное проникновение (crosstalk) части сигнала С в канал S.

      Из описания кодера понятно, что кодирование реализуется простыми аналоговыми методами. Сигнал, кодированный в Dolby Surround, не содержит каких — либо управляющих сигналов или инструкций для декодера. По своим электрическим характеристикам он ничем не отличается от обычного двухканального сигнала стерео, и опознать кодированный сигнал простыми «аппаратными» методами (например, с помощью осциллографа или анализатора спектра) невозможно. Представим себе, что сигнал, кодированный в Dolby Surround, прослушивается на обычной стереофонической аппаратуре, без декодера Surround. Сигнал Lt поступает на акустическую систему левого канала, сигнал Rt — на систему правого. При записи двухканального звука сигнал от источника, расположенного у левого микрофона, поступает преимущественно в левый канал, от источника, расположенного у правого микрофона — преимущественно в правый канал. Если источник равно удален от левого и правого микрофонов, его сигнал делится поровну между правым и левым каналами. В кодере Dolby Surround сигнал С делится между каналами Lt и Rt именно таким образом, но не на акустическом, а на электрическом уровне. Поэтому при прослушивании на две акустические системы L и R звук канала С воспринимается, как сигнал виртуальной акустической системы, расположенной между реальными системами L и R. Кроме сигнала С, в каналах Lt и Rt присутствуют компоненты сигнала S, но они находятся в противофазе, и акустические сигналы, соответствующие этим компонентам, компенсируются в пространстве между акустическими системами. Поэтому звук канала Surround воспринимается как едва заметный, «призрачный» звук (phantom sound), витающий где-то между акустическими системами L и R. Таким образом, сигнал Dolby Surround совместим с любой аппаратурой стерео, как с декодером surround, так и без него.

Пассивный декодер Dolby Surround

      Простейший декодер Surround выделяет только один дополнительный канал — канал S. Функциональная схема декодера показана на рисунке. Сигнал Lt без каких-либо изменений поступает на выход L декодера. Сигнал Rt таким же образом поступает на выход декодера R. Сигналы Lt и Rt содержат «половинки» сигнала центрального канала С, которые создают виртуальную акустическую систему между реальными акустическими системами L и R. Узел вычитания L-R выделяет сигнал surround, который поступает на отдельную акустическую систему. Компоненты сигнала S воспроизводятся также акустическими системами R и L, но, так как они в противофазе, слушателем не воспринимаются. Так как основу декодера составляет простой дифференциальный усилитель, выполняющий операцию вычитания L-R, такой декодер получил название «пассивного декодера».

      На рисунке показаны взаимные развязки (separation) между каналами простейшего декодера Диаметральное расположение каналов на схеме относится только к электрическим сигналам. Реальное расположение акустических систем иное — системы трех каналов расположены в одной фронтальной плоскости, а системы четвертого канала — по бокам сзади слушателя. Заметим, что акустическая система С — виртуальная, ее сигнал формируется пространственно акустическими системами правого и левого каналов. Поэтому для такого декодера очень важно положение слушателя относительно акустических систем L и R и- в идеальном случае он должен быть равно удален от них. Эксперименты показали, что прослушивание сигналов фронтальных каналов в громкоговорителях surround, особенно речи, в большой степени портит впечатления от саундтрека. Для того чтобы обеспечить развязку центральных каналов и канала surround, в реальном пассивном декодере используются дополнительные преобразования.

      Временная задержка (около 10 миллисекунд) устраняет так называемый эффект Хааса (Haas effect). Если слушатель располагается ближе к акустическим системам Surround, чем к системам фронтальных каналов, он сперва слышит компоненты сигналов L и R, проникшие в канал surround, и только затем эти же сигналы, излученные громкоговорителями фронтальных систем. Несмотря на то, что мощность звука на фронтальном направлении больше, из-за временного опережения звуковой образ в сознании слушателя связывается с направлением тыла. Задержка гарантирует, что звук фронтальных каналов достигнет слушателя раньше, чем тот же звук, попавший в канал surround.

      ФНЧ 7 кГц используется по нескольким причинам. Основная из них: если источник звука смещен вправо или в лево от центра, то чем выше частота звука, тем выше амплитуда сигнала, проникающего в канал surround. Это естественно, так как при одинаковой геометрической разности хода разность фаз зависит от частоты, а при одинаковой амплитуде L и R амплитуда разностного сигнала L-R (т. е. сигнала, проникающего в канал S) определяется только разностью фаз. Поэтому на более высоких частотах труднее добиться эффективного разделения каналов. Вторая причина: чем выше частота звука, тем более точно слушателем определяется направление на его источник (тем острее «диаграмма направленности» ушей). Исключение высокочастотной составляющей «размазывает» звуковые образы в канале surround, благодаря этому слушатели, сидящие рядом с акустическими системами surround, не связывают звуки в этом канале с направлением на громкоговорители.
      Система шумопонижения Dolby Noise Reduction типа «В» используется для подавления проникающих сигналов каналов L и R, если их уровни значительно ниже уровня сигнала surround.

      Как видно из вышесказанного, технологии Dolby Surround используют особенности восприятия звуков человеком — психоакустические эффекты.