Dźwięk surround w domu

W 1958 roku, gdy wprowadzono płyty długogrające z zapisem stereofonicznym, dźwięk o jakości hifi był rarytasem. W latach osiemdziesiątych wysokiej klasy systemy stereofoniczne w domu stały się praktycznie normą. Technika audio, podobnie jak video, rozszerzała się obejmując nowe źródła sygnału (kasety magnetofonowe, Compact Disc), a także nowe sposoby odsłuchu muzyki (urządzenia przenośne, odtwarzacze samochodowe).

Na tym tle w końcu 1982 roku zaprezentowany został system Dolby Surround, przeznaczony do użytku w domowych instalacjach video, płytach Laser Disc lub też transmitowanie w telewizji dwu kanałów kodowanych zgodnie z systemem Dolby Stereo. Specjalny dekoder Dolby Surround umożliwia zdekodowanie kanału surround, natomiast nowa wersja ProLogic daje dodatkowo możliwość uzyskania kanału centralnego (jej zaletą jest także rozwinięty układ sterowania identyczny, jak stosowany w kinach).

Układy przestrzennego odbioru dźwięku Dolby Surround i Dolby Surround Pro Logic.

Źródłem dźwięku w systemie Dolby Surround może być płyta kompaktowa CD., CD.-I, laserowa płyta wizyjna, taśma wideo, sygnał telewizyjny - satelitarny lub naziemny, oraz niektóre gry komputerowe CD-I.

Aby odtworzyć dźwięk w tym systemie jest niezbędne urządzenie z dekoderem Dolby Surround i zestaw głośników.

Dolby Surround czasami jest nazywany systemem 4-2-4, co wywodzi się z realizacji filmu kinowego 35 mm. Wówczas to dźwięk jest nagrywany dla czterech kanałów dźwiękowych lewego, prawego, centralnego i surround. W kanale centralnym zarejestrowane są dialogi, natomiast kanał surround przeznaczony jest dla efektów dźwięku wokół. Główną scenę dźwiękową tworzą dźwięki kanałów stereofonicznych lewego i prawego. Kiedy film jest kopiowany na nośnik jest on kodowany na dwa kanały. Sygnały foniczne kanału centralnego i surround są mieszane z sygnałami dla lewego i prawego kanału. Płytę zapisaną w systemie Dolby Surround można odtwarzać na urządzeniu stereofonicznym, ale bez wrażeń przestrzennych. Do uzyskania ich bowiem jest konieczny dekoder.

W pierwotnej wersji dekodera Dolby Surround dźwięk kanału centralnego wydzielonego dla ścieżki dialogowej był przesyłany razem z dźwiękiem dla prawego i lewego kanału. Wada tego systemu była niemożliwość lokalizacji źródeł dialogów. W nowej wersji dekodera - Dolby Surround Pro Logic kanał centralny jest wydzielony i dialogi wypowiadane przez aktorów mogą być dokładniej lokalizowane przez słuchaczy.

W obu przypadkach istnieje problem przesłuchów między kanałami, np. w głośnikach surround mogą być słyszalne dialogi. Przenikanie sygnałów redukuje się wprowadzając nieznaczne opóźnienie sygnału, filtry i system redukcji szumów Dolby B w kanale surround.

Czas opóźnienia dobiera się w zależności od usytuowania słuchacza względem głośników przednich i tylnych. Sygnał do głośników surround przechodzi przez filtr dolnoprzepustowy. Do głośników docierają tylko sygnały z pasma poniżej 7 kHz. Dodatkowo redukowane są szumy w układzie Dolby B i także przenikanie sygnałów wielkiej częstotliwości do tylnych głośników surround.

Konfiguracje odsłuchowe :

W obecnie produkowanym sprzęcie montowany jest już dekoder Dolby Surround Pro Logic. Do wyboru jest kilka propozycji rozdziałów sygnałów w poszczególnych torach.

W konfiguracji Phantom, która odpowiada wersji Dolby Surround bez centralnego głośnika, sygnał kanału centralnego jest dodawany do sygnału do lewego i prawego głośnika przedniego, a sygnał kanału surround jest doprowadzony do dwóch głośników tylnych. Aby słyszeć dialogi ze środka należy siedzieć w środku między głośnikami. W przeciwnym bowiem wypadku dźwięki będą dochodzić, np. tylko z lewego lub prawego głośnika bocznego i tylnego.

W trybie Wide (szeroki) sygnały dla głośników lewego, prawego i centralnego mają równy poziom basów.

W trybie Normal (normalny) głośnik centralny ma obniżony poziom basów w porównaniu do lewego i prawego głośnika. Dochodzą do niego tylko sygnały powyżej 100 Hz.

W trybie Dolby 3 nie są wykorzystywane głośniki tylne.


Kodowanie:

System kodowania dźwięku według standardu Dolby Stereo (rys. 5) jest identyczny dla Dolby Surround i Dolby Surround Pro Logic. Układy redukujące amplitudę o 3 dB są niezbędne do uzyskania po dekodowaniu tych samych mocy kanału centralnego i surround. Sygnał kanału surround przechodzi dodatkowo przez filtr środkowoprzepustowy (100 Hz - 7 kHz), który redukuje pasmo sygnałów o zbyt małych częstotliwościach, gdyż one nie wpływają na kierunkowość źródła dźwięku. Składowe o zbyt dużych częstotliwościach są eliminowane ze względu na konieczność minimalizacji przesłuchów. Nie osłabia to efektu przestrzennego, ograniczenie pasma byłoby rozpoznawalne jedynie wówczas, gdy sygnał o pełnym paśmie przenoszenia byłby transmitowany wyłącznie przez głośniki surround.

Podstawowa konfiguracja dekodera Dolby Surround (rys. 6) umożliwia wyodrębnienie sygnałów lewego i prawego oraz sygnału monofonicznego surround, doprowadzanego do obu tylnych głośników. Sygnał kanału centralnego jest tworzony przez sygnały o identycznej amplitudzie i fazie, z kanałów lewego i prawego.
Separacja między kanałami:

Dolby Surround wykorzystuje właściwości psychoakustyczne człowieka, polegające na centralnej lokalizacji źródła dźwięku (kanał Phantom) pochodzącego z dwu kanałów, przy rozsuniętych głośnikach przednich. Efekt ten zakłócają przesłuchy między przednimi a tylnymi głośnikami surround.

Elektryczna separacja sygnałów kanału lewego lub prawego i kanału surround daje jedynie 3 dB, gdyż do obu kanałów jest dodawany, osłabiony o 3 dB sygnał kanału centralnego.

Subiektywną lokalizację źródła odbieranego dźwięku umożliwiają trzy elementy zastosowane w układzie dekodera:
układ opóźniający sygnał surround o 20 ms

Przy opóźnianiu sygnału wykorzystuje się tzw. efekt Haasa polegający na możliwości zlokalizowania źródła dźwięku, jeśli dźwięk z tyłu dociera z opóźnieniem. Podobnie przy jednoczesnym oglądaniu dwóch nieznacznie przesuniętych obrazów okiem lewym i prawym. Uzyskuje się obraz przestrzenny.
filtr dolnoprzepustowy 7 kHz

Amplituda sygnału przesłuchu rośnie z częstotliwością. Ograniczenie częstotliwości zmniejsza przesłuchy, dodatkowo powoduje efekt pozornego odsunięcia głośników tylnych, co jest korzystne dla słuchaczy siedzących w pobliżu głośników kanału surround.
układ redukcji szumów Dolby

Układ zbliżony do standardu redukcji szumów Dolby B zmniejsza zarówno szumy, jak i przesłuchy kanałów przednich.

Pasywny dekoder Dolby Surround, bazując na sygnałach lewego i prawego kanału, symulowanego kanału Phantom oraz surround umożliwia uzyskanie całkiem dobrych efektów przestrzennych. Niektóre dekodery Dolby Surround mają wyjście kanału centralnego do odtwarzania dialogów, ta korzyść ze względu na przesłuchy kanałów, lewego i prawego w kanale centralnym okupiona jest jednak zawężeniem bazy odsłuchu przestrzennego.
Koncepcja dekodera aktywnego - Dolby Surround Pro Logic

Projektowanie nowej generacji dekodera - Dolby Surround Pro Logic miało na celu stworzenie układu z lepszą separacją kanałów, co przyczyniałoby się do łatwej lokalizacji źródła dźwięku. Idea dekodera Dolby Surround Pro Logic polega na detekcji sygnału dominującego w danej chwili i jednoczesnym eliminowaniu przesłuchów w pozostałych kanałach, które nie biorą udziału w transmisji sygnału dominującego.

Sygnał dominujący może być przedstawiony w postaci wektora na osi współrzędnych (rys. 7). Wektory sygnału kanału lewego i prawego tworzą oś poziomą, wektory sygnału centralnego i surround oś pionową. Amplituda i kąt nachylenia wektora sygnału dominującego wynikają ze składowych tego sygnału, transmitowanych przez kanały (w przypadku przedstawionym na rysunku przez kanał prawy i kanał centralny). Dekoder w sposób ciągły analizuje sygnał P - L oraz C - S, aby wyodrębnić sygnał dominujący.

Pozostaje jeszcze eliminacja przesłuchów.

Składowa przesłuchu kanału centralnego jest dodawana do lewego kanału w fazie przeciwnej, przez co kanał ten pozbawiony przesłuchu.

Aby składowa przesłuchu była całkowicie wyeliminowana, amplitudy sygnału tych składowych muszą być jednakowe. Realizuje to sterowany wzmacniacz.

Podsumowując, dekoder Pro Logic stale bada ścieżkę dźwiękową wyszukując sygnał dominujący, uwypukla go i tłumi przesłuch. Efektem ubocznym jest zmniejszenie zdolności rozróżniania kierunkowości w stosunku do pozostałych, słabszych sygnałów, najczęściej stanowiących tło. Może się również zdarzyć, że dekoder, przy braku dominującego sygnału, zmieni się na jakiś czas w pasywny dekoder; ma to miejsce przy odtwarzaniu deszczu czy wiatru, ale wówczas dokładna identyfikacja kierunku kierunku nie jest niezbędna.
Schemat blokowy i działanie dekodera Dolby Surround Pro Logic

Schemat blokowy dekodera Dolby Surround Pro Logic jest przedstawiony na (rys. 8).

Układ dekodera analizuje, czy występuje sygnał dominujący, odejmując składowe P - L oraz C - S we wzmacniaczach różnicowych o charakterystyce logarytmicznej.

Komparator poziomu sygnału porównuje składowe z określonym sygnałem odniesienia, aby stwierdzić istnienie składowej dominującej. Jeśli taka składowa występuje, komparator przełącza stałą czasową układu, umożliwiając śledzenie przez detektor amplitudy sygnału dominującego. Dwie składowe C - S oraz P - L (mogące mieć polaryzację ujemną jak i dodatnią) zamieniane są w cztery napięcia sterujące: EL, EP, EC, ES, decydujące o wzmocnieniu ośmiu wzmacniaczy. Sygnały wyjść (8 wyjść wzmacniaczy), LP i PC są dodawane (i odejmowane) w układzie symulującym, dając w rezultacie sygnały L, P, C, S. Sumowanie odbywa się według określonych wag, założonych w układzie symulującym, aby m.in. wyeliminować wahania całkowitej mocy akustycznej, której poziom musi zostać zachowany. Pozostałe bloki układu spełniają takie funkcje jak w dekoderze pasywnym Dolby Surround.

Przedstawiony układ dekodera zapewnia teoretycznie separację między kanałami na poziomie 37 dB, a praktycznie osiąga się 30 dB. Jest to dużo zważywszy, że pasywny dekoder umożliwia uzyskanie 3 dB izolacji sygnału między kanałami.


Porównanie dekoderów:

Akustyka