Современные многоканальные системы / Звук и акустика

Другие многоканальные системы

В принципе, любой пользователей, имея в своем арсенале звуковую карту с четырьмя и более выходами и профессиональную мультитрековую программу, может почувствовать себя на заре 70-80-х. Именно тогда велись основополагающие опыты с многоканальным звуком. Многим известна квадрофония, была даже октофония. При этом, например, октофония тогда не подразумевала современных "7.1". Тогда предполагалось наличие 8 независимых каналов с полным частотным диапазоном, расставленных вокруг слушателя по кругу на равных расстояниях между собой.

Экспериментировать можно сколько угодно. Как результат проводимых исследований -необходимость некоей стандартизации в сведении и воспроизведении. Для примера, возьмем вариант октофонии, о котором мы вспомнили чуть выше.

Исходные данные - ударная установка, записанная на 14 микрофонов и сведенная таким образом, чтобы слушатель, находящийся в центре получал ощущение присутствия. При изменении положения слушателя от центра, близлежащие к нему громкоговорители будут громче, баланс и звуковая картина изменятся. Таким образом, в одной точке мы слышим одно, в другой - другое. Это основной недостаток систем такого плана - слушатель должен располагаться в центре.

В варианте surround нам сообщается только пространственный эффект присутствия. То есть локализация звука закреплена за отдельным каналом. Другие работают как сопровождающие. То есть, мы получаем эмуляцию пространственных ощущений, для чего собственно surround-системы и разработаны.

Самая уникальная многоканальная акустическая система - это наушники, в которых можно получить качественный 3D.

Хотя с другой точки зрения, никогда не стоит останавливать эксперименты. У вас есть к этому все возможности. Если в середине 90-х для опытов с квадрофонией мне приходилось подключать в РС две стерео-платы, то теперь даже самый дешевый звуковой интерфейс имеет как минимум четыре линейных выхода. Dolby Surround не является идеальной системой и места для экспериментов очень много.

Стандартный кодер Dolby Surround и пассивный декодер

Давайте немного вернемся к истории, в начало 80-х, когда появились первые Dolby Surround устройства. Кодер Dolby Surround - это устройство, позволяющее преобразовать четыре канала (L-левый, С-центральный, R-правый и S-пространственный) в два кодированных Lt и Rt. Lt и Rt - это аббревиатура от L-, R- total, что в переводе означает общий. В документациях к Dolby Surround такое наименование обозначает закодированные каналы для систем Dolby старого поколения. Такие Lt и Rt могут быть записаны на обычную магнитную пленку и воспроизводиться на ленточных магнитофонах. При наличии декодера, Lt и Rt расшифровываются на многоканальную систему Surround.

Давайте рассмотрим работу кодера Dolby Surround на представленной схеме. На рис. 1 отображено как четырехканальная система преобразуется в двухканальную. Обозначения и названия для каналов являются стандартными для всех систем Dolby Surround:

L - фронтальный левый канал.
С - центральный канал.
R - фронтальный правый канал.
S - surround-канал.
Lt - общий левый.
Rt - общий правый

Принципиальная схема работы кодера Dolby Surround

Как мы видим в процессе преобразования, сигнал центрального канала делится поровну и микшируется с левым и правым, при этом его уровень понижается на 3 Дб. Сигнал S проходит обработку через отдельный тракт, в состав которого входят:
bandpass-фильтр - ограничение частотной полосы в диапазоне 100 Гц - 7 Кгц (surround-канал имеет частотный диапазон 100 Гц - 7 КГц),
шумоподавление Dolby B-type Noise Reduction,
корректировка фазы - составляющие сигнала S сдвигаются по фазе таким образом, чтобы при сложении с левым и правым каналом оказаться в противофазе.

В варианте пассивного декодера сигнал S-канала можно получить простым вычитанием Lt-Rt. На рис.2 представлена схема работы простейшего декодера Dolby Surround, на выходе которого мы имеем L, R и S.

При декодировании возникает несколько проблем, главная из которых - взаимопроникновение фронтальных каналов и S. Например, при изменении равновесия уровней Lt и Rt в сигнал S-канала проникают составляющие и L, и R. Этот вопрос решается двумя путями - задержкой устанавливаемой на сигнал S, и ограничением его частотного диапазона. При задержке, равной 10 мс, устраняется эффект Хааса - сигнал с фронтальных каналов идет с опережением и локализация источника ассоциируется с ними. Ограничение звука до 7КГц также позволяет акцентировать внимание на фронтальных каналах, поскольку их звучание ярче, чем у S-каналов.

В таком варианте пассивного декодирования подразумевается, что центральный канал является виртуальным и соотвествует панорамному центру стереосистемы L и R. Данная система идеализирована, поскольку громкоговорители правого и левого каналов должны быть равноудалены от слушателя, что на практике практически недостижимо (в кинотеатре много слушателей).

Активные декодеры Dolby Surround. Pro Logic

Активные декодеры Dolby Surround - это новое поколение преобразующих устройств от Dolby Labs, внедренное в середине 80-х. Используя в качестве исходных данных те же Lt и Rt, что и в варианте пассивного декодера, они предусматривают более сложный процесс декодирования с учетом наличия физичекого (а не виртуального центрального канала). Первым устройством подобного класса стал Dolby Prologic.

Декодер Dolby Pro Logic.

Условно схему работы Pro Logic можно разделить на две составляющие - пассивную и активную. В пассивной части сигнал S-канала получается простым вычитанием сигналов левого канала из правого, а сигнал центрального канала получается путем сложения правого и левого. Как мы знаем при кодировании S-канал записан в противофазе и при таком сложении он должен исчезнуть. Чтобы центральный канал был слышимым, сигналы каналов L и R ослабляются на 3 Дб. Другой вариант - удаление сигнала центрального канала из левого и правого каналов. Делается это также с помощью противофазного сложения и взаимной компенсации компонентов сигналов правого и левого каналов. Данный принцип называется Cancellation Concept (принцип взаимной компенсации).

Если в процессе кодирования и записи было изменено балансное соотношение между Lt и Rt, то это может повлечь за собой ряд проблем - в сигнал S-канала проникают составляющие и L, и R, и так далее. В варианте Pro Logic для выравнивания баланса между входящими Lt и Rt предусмотрен специальный модуль Level Control.

Активная часть данного декодера позволяет выделять звуковые образы. Данная система предназначена только для кино. Параллельно со звуком идет и видео. Соответсвенно, основной задачей Pro Logic является обеспечение ассоциативного ряда. В описании к Pro Logic существует термин "доминирующий звуковой образ" (dominant sound). Появление этого термина не случайно и имеет прямое отношение к психоакустике. При акцентировании внимания зрителя на доминирующем звуковом образе все остальные звуковые объекты "размазываются" в пространстве и не имеют четкой локализации. В варианте Dolby это называется Signal Masking Concept (прицип маскирования сигнала). Именно он и является основополагающим для систем активных декодеров. Соответсвенно, в этих устройствах сигнал речи являются управляющим, все остальные - управляемые. Если киногерои говорят и параллельно с этим идет стереомузыка, то их речь воспроизводится центральным каналом, усиление L и R уменьшается. Музыка воспроизводится и за счет громкоговорителей S-канала. При замолкании речи звуковая картина и баланс уровней каналов восстанавливаются и приходят в исходное состояние. Таким образом, мы получаем некое "качание", называемое pumping.

Если персонажей несколько, их речь отличается от других звуков по мощности, и они локализованы в разных местах, то активный декодер Pro Logic работает в так называемом "быстром" режиме, переключая настройки с одного доминирующего образа на другой, время реакции декодирующей системы минимально. Если же звуки не имеют значительных расхождений по мощности, то декодер переходит в "медленный" режим.

Адаптивная матрица Dolby Pro Logic.

Говоря о системах Pro Logic, стоит упомянуть немаловажный аспект, который их выгодно отличает от предшественников - декодер может определять направление локализаций звуковых образов. Достататочно взять амплитуду сигнала центрального канала и сравнить ее со значениями амплитуды этого же сигнала в правом и левом каналах, и мы можем определить вектор направления локализации звукового образа. Дальше - дело техники.

Сердце Pro Logic - это адаптивная матрица. Для анализа звуковой картины используется четыре входящих сигнала - Lt, Rt, Lt+Rt и Lt-Rt подаваемые на два дифференциальных усилителя (на первый - Lt и Rt, на второй - Lt+Rt и Lt-Rt). В результате на выходах этих усилителей выделяются два управляющих сигнала, являющиеся ничем иным как разностями логарифмов от амплитуд поступающих сигналов. Не смотря на то, что в результате получается всего два управляющих сигнала, они являются биполярными, что позволяет устройству произвести полный анализ происходящего. При этом в данной матрице предусмотрено сравнение амплитуд с пороговыми значениями, что позволяет переключать "быстрый" и "медленный" режимы.

На выходе адаптивной матрицы мы имеем блок анализа, который оперирует десятью сигналами, складывая и вычитая их в определенной весовой пропорции. В результате мы имеем четыре стандартных сигнала C, R, L и S.