#8/2006 • ПОЛЕЗНО ЗНАТЬ

www.kramer.ru

РАЗ, ДВА... МНОГО!

НА РАННИХ ЭТАПАХ РАЗВИТИЯ АУДИОТЕХНИКИ ЗВУК БЫЛ МОНОФОНИЧЕСКИМ, ТО ЕСТЬ ИСХОДИЛ ИЗ ОДНОЙ ТОЧКИ, НО ЭТО НИКОГО НЕ СМУЩАЛО, ПОСКОЛЬКУ САМ ФАКТ РАЗБОРЧИВОГО ВОСПРОИЗВЕДЕНИЯ В ДОМАШНИХ УСЛОВИЯХ РЕЧИ И МУЗЫКИ СЧИТАЛСЯ КРУПНЫМ ТЕХНИЧЕСКИМ ДОСТИЖЕНИЕМ. ПЕРВЫМ МУЗЫКАЛЬНЫМ ПРОИЗВЕДЕНИЕМ, ЗАПИСАННЫМ НА НОСИТЕЛЬ ИНФОРМАЦИИ, ОКАЗАЛАСЬ ДЕТСКАЯ ПЕСЕНКА «У МЭРИ БЫЛ БАРАШЕК», ИСПОЛНЕННАЯ ЛИЧНО СЭРОМ ТОМАСОМ АЛВА ЭДИСОНОМ.

Конструкции фонографов, граммофонов и патефонов сейчас интересуют только историков техники, поэтому мы о них говорить не будем, а перепрыгнем сразу в 1957 год, когда британской компанией Decca Records была разработана первая в мире стереофоническая грампластинка. Тут надо сказать, что общепринятый сейчас термин «стереозвук», характеризующий двухканальную запись, возник по недоразумению или из-за слабого знания разработчиками греческого языка. Дело в том, что слово «stereos» означает «пространственный», то есть применительно к звуку - многоканальный, а не только двухканальный, но в технике некорректные термины встречаются так часто, что проще пользоваться привычными, чем придумывать новые.

Разработчики механических систем пытались записывать на один носитель две звуковые дорожки еще с начала ХХ века, но либо устройства получались сложными и громоздкими, либо мешали причины коммерческого характера, а возможно, стереозвук просто не был востребован.

Официальной датой рождения стереофонического радиовещания считается 1 июня 1961 года, в 1963 году фирма Philips выпустила на рынок первую компакт-кассету, а в 1969-м Рэй Долби создал систему подавления шумов магнитной ленты, и процесс, как говорится, пошел.

Стереофонические системы очень быстро завоевали симпатии специалистов и потребителей, поскольку двухканальный звук давал явные и ощутимые преимущества: с ним стало возможно воспроизводить не просто плоский «отпечаток», а отображать картину звукового пространства, что особенно важно, например, для симфонической музыки. Слушатель стал как бы ощущать перед собой настоящий оркестр и слышать каждый музыкальный инструмент с того места, где он реально находился в оркестре при записи. Кроме того, стереозапись позволила сглаживать недостатки самой фонограммы и  техники, поскольку качественный звук в одном канале словно замазывал огрехи в другом.

Воодушевленные успехами стереофонии, инженеры немедленно взялись за создание звуковоспроизводящей аппаратуры с большим числом каналов, так как надеялись на еще более значительное повышение естественности и качества звука.

Не тут-то было. Многочисленные эксперименты с четырехканальной (квадрафонической) аудиоаппаратурой, проводимые в 70-е годы прошлого века, закончились впечатляющим провалом. Попытки использовать в бытовой аудиотехнике решения, найденные для многоканального звука в кино, оказались неудачными. И дело здесь даже не в технической реализации квадрофонии, будь то полная, псевдо- или квазиквадрофония, отличающиеся друг от друга числом каналов записи и воспроизведения, и не в высокой стоимости аппаратуры, хотя и это сыграло свою роль.

Ошибочной оказалась философия звукорежиссеров, в соответствии с которой аудиопрограммы записывались так, что слушатель оказывался сидящим как бы в центре оркестра. В результате музыка окружала человека со всех сторон, и он, как летчик-истребитель, вынужден был постоянно вертеть головой, непроизвольно поворачиваясь на  очередной громкий звук.

То, что хорошо подходило для кинозала, какого-нибудь аттракциона в Диснейленде или для дискотеки, не годилось для прослушивания хорошей музыки или для просмотра видео.

И идея тихо, без мучений, скончалась, а квадрофонические аудиомонстры покрывались пылью в дальних углах магазинов радиотоваров.

По-настоящему успешные многоканальные аудиосистемы появились на рынке только тогда, когда звукорежиссеры поняли, в чем проблема. Микрофоны для записи музыки стали размещать на сцене, а тыловые микрофоны, предназначенные для воссоздания реальной звуковой картины - позади слушателей, причем эти микрофоны должны были записывать не «прямой» звук со сцены, а его отражения от тыльной и боковой стен зала.

В 1976 году в лаборатории Долби был разработан принцип пространственного звучания для кинематографа, который впоследствии стал известен как Dolby Stereo. Это была четырехканальная система, состоявшая из трех фронтальных звуковых каналов и одного тылового, получившего название канала «окружения». Он был монофоническим, но воспроизводился двумя акустическими системами, расположенными в углах задней стены комнаты.

Система была матричной, т.е. при записи сигналы четырех каналов с помощью особых матриц преобразовывались в два, а при воспроизведении происходило их восстановление. Процесс внедрения Dolby Stereo шел ни шатко ни валко, но помощь пришла, как говорится, откуда не ждали - Джордж Лукас снял свои первые «Звездные войны», и вот здесь-то система пространственного звучания себя показала! Хозяева кинотеатров чуть ли не дрались за комплекты нового оборудования. Идея оказалась настолько удачной, что благополучно дожила до наших дней и все еще используется в кино.

Подлинный расцвет систем пространственного звучания приходится на 80-е годы прошлого века, когда начала стремительно развиваться цифровая микроэлектроника и в воздухе замаячила идея домашнего кинотеатра. В самом деле, кто откажется наслаждаться качественным изображением и звуком не в кинотеатре, где соседи хрустят попкорном, булькают пивом и хихикают, а дома? Правильно, никто. Рынок сказал свое веское слово, и инженеры взялись за работу.

Первую цифровую многоканальную аудиосистему создали опять-таки в лаборатории Рэя Долби и опять-таки для кино. Она получила не особенно оригинальное название Dolby Digital и включала в себя пять независимых широкополосных цифровых аудиоканалов: три фронтальных (левый, центральный и правый) и два тыловых (левый и правый). Шестой, низкочастотный, был предназначен для воспроизведения спецэффектов. Сигналы всех каналов оцифровывались и по специально разработанному алгоритму AC-3 (Audio Coding-3)  кодировались в единый цифровой поток. Премьера системы состоялась одновременно с премьерой кинофильма «Возвращение Бэтмена».

В 1993 году фирма DTS (Digital Theatre Systems) на премьере фильма «Парк Юрского периода» продемонстрировала собственный цифровой формат пространственного звучания. В настоящее время обе эти системы стандартизованы и используются в телевидении высокой четкости, спутниковом вещании и в домашних кинотеатрах на основе дисков DVD.

Рассмотрим их более подробно.

Dolby Stereo

Система была построена на основе квадрофонической матрицы фирмы Sansui, только кодер для нее придумали новый и дали ему название Dolby MP (Motion Picture - кино). В нем сигналы трех фронтальных каналов - левого, правого и центрального - и канала окружения преобразовывались в два сигнала Lt и Rt формата обычного стерео. Если на воспроизводящей аппаратуре не было декодера Dolby Stereo, то сигнал представлялся не как многоканальный, а как самый обычный стереофонический. Это было грамотное техническое решение, поскольку оно обеспечивало обратную совместимость с обширным парком уже существующей звуковоспроизводящей аппаратуры.

В 1982 году был разработан декодер Dolby Stereo для бытовой аппаратуры, и система вышла на рынок под названием Dolby Surround. Акустические системы в помещении рекомендовалось размещать, как показано на рис. 1.

Кодер системы Dolby MP был выполнен по структурной схеме, представленной на рис. 2.

Сигналы четырех каналов поступают на вход кодера, причем сигналы левого и правого фронтальных каналов без обработки через сумматоры 1, 3 и 2, 4 соответственно проходят на выход кодера без обработки. Для того чтобы сохранить правильную картину пространственного распределения звука, сигнал центрального фронтального канала ослабляется на 3 дБ и замешивается в сигналы левого и правого каналов с помощью сумматоров 1 и 2. Сигнал тылового канала окружения замешивается уже в выходные сигналы кодера Lt и Rt, но предварительно подвергается обработке. Его полоса частот ограничивается до значений 100 Гц - 7 кГц, сигнал сжимается шумоподавителем Dolby B, и его фаза сдвигается на +90 градусов для левого канала и на -90 градусов для правого.

Полученные сигналы Lt и Rt можно записать на любой пригодный для этой цели носитель или передать в эфир в системе стереофонического вещания (рис. 3).

Входные сигналы Lt и Rt проходят через регулятор баланса мощности, чтобы ослабить взаимное проникновение из канала в канал, и поступают в главную часть декодера - адаптивную декодирующую матрицу. Именно в ней происходит восстановление исходной информации. Сигналы фронтальных каналов сразу поступают на выход декодера, а сигналы канала окружения получаются в дополнительной матрице путем вычитания энергий правого и левого фронтальных каналов из энергии канала окружения. Кроме того, фаза выходного сигнала окружения синхронизируется с фазой сигнала S с выхода адаптивной декодирующей матрицы. Фильтр низких частот ограничивает полосу сигнала окружения до уже упомянутой частоты 7 кГц, а линия задержки задерживает сигнал на 9 - 30 мс. Это необходимо для того, чтобы создать эффект объема помещения, где записывался звук, иначе сигналы, отраженные от задней стены студии, достигнут ушей слушателей одновременно с сигналами фронтальных каналов.

Заключительная операция - обработка экспандером, характеристика которого обратна характеристике шумоподавителя.

Главным недостатком Dolby Surround, как и любой матричной системы кодирования звука, является недостаточное разделение каналов, из-за чего, например, может возникнуть эффект, что диалоги актеров на экране будут отчетливо слышны сзади.

Усовершенствованным вариантом Dolby Surround является Dolby Pro Logic. Кодеры у них совершенно одинаковы, а вот в декодерах есть различия. Изюминка Dolby Pro Logic в том, что она умеет выделять из общего звукового сигнала человеческую речь. Как только декодер обнаружит ее, он увеличит усиление в центральном фронтальном канале и одновременно снизит усиление в левом и правом фронтальных каналах, чтобы ярче выделить диалоги актеров, которые, естественно, находятся в центре экрана, на фоне шумов, музыкального сопровождения и пр. Когда речь исчезает из звукового сигнала, первоначальное усиление каналов восстанавливается.

Еще одним новшеством системы Dolby Pro Logic является использование отдельного НЧ-излучателя - сабвуфера. Сигналы низких частот плохо позиционируются человеческим слухом, поэтому в системе достаточно одного такого аппарата. Сигнал для него выделяется из фронтальных каналов путем их суммирования и ограничения фильтром низких частот с частотой среза 80 - 125 Гц.

Поскольку воспроизведение басов в этом случае возлагается на сабвуфер, акустические системы фронтальных каналов получаются меньше по размерам, проще и дешевле, субъективное качество звука также повышается.

Система Dolby Pro Logic имеет лучшее разделение между фронтальными и тыловыми каналами и позволяет использовать вместо двух четыре тыловых акустических системы.

 

Dolby Digital (AC-3)

Эта система пространственного кодирования и воспроизведения звука является, как уже упоминалось, цифровой. Она была разработана специально для звукового сопровождения передач HDTV, а впоследствии закреплена за спутниковым радиовещанием, кабельным ТВ и звуковым сопровождением фильмов, записанных на DVD в странах Северной Америки.

Dolby Digital способна передавать от одного до шести независимых каналов.

Поскольку она не является матричной, то начисто лишена главного недостатка таких систем - просачивания сигнала из канала в канал. Несмотря на то, что в Dolby Digital все звуковые каналы передаются в общем цифровом потоке, они независимы и их паразитное влияние друг на друга исключено.

Каждый из пяти основных каналов имеет полосу пропускания 2 Гц - 20 кГц, а канал сабвуфера LFE (Low Frequency Effects) 25 Гц - 120 Гц.

Домашние кинотеатры, работающие со звуком Dolby Digital, как правило, имеют отдельный выход для подключения сабвуфера, использование которого желательно, но не обязательно. Если сабвуфер не подключен, басы будут воспроизводиться левой и правой фронтальными акустическими системами. Хозяева домашнего кинотеатра в этом случае останутся, скорее всего, недовольны, а вот их соседи - наоборот.

Звуковой сигнал в кодере АС-3 квантуется с точностью 16 разрядов при частоте дискретизации 48 кГц. Скорость потока данных на каждом из 6 входов кодера составляет 768 кбит/с, а после компрессии результирующий поток имеет скорость 384 кбит/с.

При кодировании звука используются методы устранения из потока статистической и психоакустической избыточности.

Кодирование звука с устранением психоакустической избыточности называют перцептуальным кодированием. Оно основано на использовании т.н. границы маскирования. Звуки, уровень которых лежит ниже этой границы, считаются принципиально неслышимыми человеческим ухом и либо игнорируются, «выбрасываются», либо кодируются с меньшей разрядностью, чем основной звуковой поток.

 

Digital Theatre System (DTS)

Системы пространственного звучания DTS в настоящее время являются серьезными конкурентами продуктов лаборатории Dolby. Считается, что DTS обеспечивают более высокое качество звучания за счет фирменных алгоритмов компрессии и меньшей ее степени. Например, если в Dolby Digital 5.1 сжатие звука составляет 12:1, то в DTS 5.1 оно куда более гуманное: при 16-разрядном квантовании примерно 3:1, а при 24-разрядном - 4,3:1.

В основе DTS лежит фирменная технология пространственного кодирования звука, получившая название Coherent Acoustics (когерентная акустика). Ее главная особенность в том, что кодирование осуществляется без устранения психоакустической избыточности, звук кодируется в исходном, «неповрежденном» виде.

Все шесть каналов системы DTS полностью независимы друг от друга, каждый из пяти основных каналов перекрывает диапазон звуковых частот, а шестой, низкочастотный, имеет полосу пропускания 20 - 80 Гц. Скорость потока данных на выходе кодера Coherent Acoustics составляет 1,235 Мбит/с.

Кодер Coherent Acoustics в самом общем виде устроен следующим образом.

На первом этапе обработки спектр сигнала каждого канала делится на 32 поддиапазона с помощью банка так называемых квадратурных зеркальных фильтров QMF (Quadrature Mirror Filter). Их использование позволяет избежать искажений, возникающих из-за частичного перекрытия полос пропускания соседних фильтров.

Кодер Coherent Acoustics работает с переменной разрядностью квантования. Выбор необходимого количества разрядов в зависимости от уровня энергии в каждом поддиапазоне выполняет анализатор уровня сигнала. Кодирование звука по такому принципу до некоторой степени напоминает MPEG-кодирование в том смысле, что использует алгоритм предсказания. Предсказание будущего значения сигнала выполняется на основе его предыдущего значения и характера изменения. Чем точнее предсказание, тем компактнее получается код сигнала. Эту задачу решает блок предсказательного кодирования и адаптивного квантования (рис. 4).

 

Адаптивным квантование называется потому, что его шаг автоматически меняется, чтобы поддерживать постоянным отношение сигнал/шум квантования.

Мультиплексор объединяет канальные потоки аудиосигналов в единый поток.

При воспроизведении кодированного аудиопотока декодер восстанавливает поток данных, сформированных кодером, и подает его на декодер Coherent Acoustics (рис. 5).

 

В демультиплексоре из общего аудиопотока извлекаются потоки данных каналов, которые подаются на блок декодирования и деквантования субполосных сигналов (поддиапазонов). В блоке синтезирующих фильтров 32 сигнала поддиапазонов объединяются и подаются на ЦАП и аналоговые усилители воспроизведения каналов.

***

Мир, в котором мы живем, это мир окружающих нас звуков. И если мы хотим получить аппаратуру, максимально точно воспроизводящую их во всем богатстве и многообразии, то, вероятно, в будущем нам придется смириться с увеличением количества каналов звуковоспроизводящей аппаратуры, а следовательно, с ростом ее цены. Уже сейчас на смену формату 7.1 идет 10.2, в котором имеется даже один вертикальный канал, в шутку называемый «Гласом божьим». Для бюджетных решений, скорее всего, подойдут устройства, состоящие всего из двух акустических систем и психоакустического процессора, имитирующего пространственный звук.

Для пользователей систем пространственного звучания, в общем-то, не важно, сколько именно каналов будет иметь его аппаратура, ему важно, чтобы она создавала иллюзию бесконечного числа каналов, то есть - подлинно объемного звука. Эта задача для инженеров, работающих в области звукотехники, и является главной. l

 

   
ListenListen

Яндекс цитирования

Яндекс.Метрика

 
           

н а в е р х

ГЛАВНАЯ | РУБРИКИ | АРХИВ | КОНТАКТЫ | АВТОЗВУК
Copyright © "Салон Аудио Видео"