Звуковые системы фирмы Dolby Lab

В настоящее время широко используются системы пространственного звучания Dolby Stereo (формат 3/1), Dolby Surround (3/2), Dolby Pro Logic (3/2), Dolby Digital (5.1) и Dolby EX (6.1). Принятое для них расположение громкоговорителей в помещении прослушивания показано на рисунке 1. На первом этапе развития систем фирмы Dolby Lab на основе матричной технологии была разработана двухканальная стереофоническая система повышенного качества звучания Dolby Stereo, а чуть позже и система Dolby Surround. Обе они ориентированы прежде всего на кинематограф и содержат кодирующее устройство (КУ) на стороне передачи и декодирующее устройство (ДКУ) — на стороне воспроизведения (рисунок 2,а). На входы КУ подаются четыре сигнала: L, С и R — левый, фронтальный и центральный фронтальные сигналы, а также сигнал окружения S (Surround). Сигналы L, R и С получены от микрофонов, установленных вблизи от эстрады соответственно в левой, фронтальной и правой частях звукового поля студии. В этой области основную роль играют сигналы прямых звуков, поступающих от исполнителей по кратчайшему пути.

Рисунок 1.Расположение громкоговорителей в системах Dolby: a — Dolby Stereo, формат «3/1»; б— Dolby Surround, Dolby Pro Logic (формат «3/2») и Dolby Digital (5.1); в — Dolby EX, формат «6.1»

Рисунок 2. Система Dolby Surround: a — упрощенная структурная схема; 6— кодирующее устройство: в — пассивное декодирующее устройство

Сигнал S получен от микрофонов, расположенных в удаленной от эстрады области и содержат в основном реверберирующий звук помещения. Левый L и правый R сигналы (рисунок 2,6) через сумматоры 1, 2, 3, 4 без каких-либо изменений, кроме их уровня, поступают на выход КУ. К каждому из них добавляется в равном соотношении сигнал фронтального канала С, ослабленный аттенюатором дБ1 по уровню на З дБ. Сигнал окружения S проходит аттенюатор дБ2, где он ослабляется по уровню также на 3 дБ. Далее этот сигнал поступает на полосовой фильтр ПФ с частотами среза 100 и 7000 Гц, после чего обрабатывается процессором системы шумоподавления Dolby Noise Reduction В и затем подается на вход широкополосного двухканального фазовращателя ШФ, где в каждом из каналов сдвигается по фазе соответственно на +90° и -90°. Далее оба этих противофазных сигнала поступают входы сумматоров 3 и 4. Сигналы L1 и R1, полученные на выходах КУ, называют комплексными стереофоническими сигналами.

При прослушивании выходных сигналов кодера Dolby через громкоговорители Гр1 и Гр2 обычной двухканальной стереофонической системы звук канала С присутствует в равной степени в обоих каналах воспроизведения. Он образует виртуальный громкоговоритель, расположенный в центре базы Гр1 и Гр2. Звук канала S излучается этими громкоговорителями в противофазе. Этот звук воспринимается как едва заметный, призрачный, размытый между Гр1 и Гр2. Пассивный декодер системы Dolby Surround (рисунок 2,в) восстанавливает входные сигналы КУ. Он содержит блок контроля баланса уровней сигналов L1 и R1 (БКУ1), матрицу M1, выделяющую сигнал окружения S и являющуюся по сути дела вычитающим устройством, фильтр Ф1 линию задержки ЛЗ, полосовой фильтр ПФ с полосой частот 100...7000 Гц, экспандер модифицированный компандерной системы Dolby В, блок контроля уровня громкости сигналов L, R и S (БКУГ2), блок регулировки баланса уровней сигналов L и R (БКУ2) и регулятор подстройки уровня сигнала S (РУs). Сигнал окружения S с выхода ДКУ подается на одну (Dolby Stereo) или две (Dolby Surround) распределенных системы громкоговорителей (рисунок 1, а и б).

Громкоговоритель канала сверхнизких частот СНЧ (Soobwufer), работающий в полосе частот 20...125 Гц, может располагаться в любом месте помещения, ибо он не влияет на пространственную структуру стереопанорамы. Однако фирма Dolby Lab рекомендует устанавливать не один, а два громкоговорителя канала СНЧ. Один из них — на расстоянии одной пятой ширины помещения от одной боковой стены, а второй — на расстоянии одной трети ширины помещения ближе уже к другой боковой стене. Это позволяет избежать превалирования низких частот в одной стороне помещения, а также устранить возможность возникновения резонансов в помещении, которые могли бы появиться при центральном размещении одного громкоговорителя СНЧ.

Полоса частот громкоговорителя фронтального канала С ограничивается сверху значением 9000 Гц. Левый и правый фронтальные громкоговорители излучают полную полосу частот (20...20000 Гц), в то время как громкоговорители канала окружения S работают в полосе частот 100...7000 Гц. Заметим, что компоненты сигнала S воспроизводятся дополнительно также левым L и правым R фронтальными громкоговорителями, но они излучаются ими в противофазе и практически не влияют на восприятие слушателем звука канала окружения.

Рисунок 3. Разделимость каналов L, R, С, S в системе Dolby Surround: a — объективно существующая; 6 — кажущаяся при слуховом восприятии при наличии ЛЗ и системы шумоподавления Dolby Noise Reduction типа В

Основным недостатком любой матричной системы звукопередачи является наличие мешающих сигналов, искажающих пространственную структуру стереопанорамы. Поэтому их уровень должен быть как можно меньше. Заметим, что если на вход КУ (рисунок 2,а) воздействует только один из сигналов L, или С, или R, или S, то на выходах ДКУ будут появляться наряду с полезным и мешающие сигналы. Например, если на вход КУ поступает сигнал L, то полезным на выходе ДКУ будет сигнал только левого фронтального громкоговорителя (Left); остальные сигналы должны рассматриваться в этом случае как мешающие (вредные). Последние излучаются соседними по отношению к основному громкоговорителями, они ослаблены по уровню относительно основного сигнала лишь на 3 дБ (рисунок 3,а). Иначе говоря, разделимость (изолированность) любого основного канала от соседних составляет здесь лишь 3 дБ. В тоже время развязка между левым L и правым R каналами, а также между фронтальным С и пространственным S каналами теоретически бесконечно велика, если АЧХ и ФЧХ КУ и ДКУ системы идеальны. Это условие, особенно в области верхних частот, выполнить очень трудно при наличии суммарного и разностного преобразований исходных сигналов в КУ и ДКУ. Именно по этой причине полоса частот в каналах С и S ограничена сверху. Известно, что высокочастотные компоненты сигналов образуют четкие хорошо локализуемые компактные КИЗ. Поэтому их исключение, особенно в канале S, приводит к тому, что слушатели не связывают восприятие сигнала S с направлением на громкоговорители окружения. Звуковые образы канала S кажутся им этом случае размытыми и распределенными в пространстве. Система шумопонижения Dolby Noise Reduction В дополнительно подавляет в канале S проникающие в них компоненты сигналов L и R, когда уровни последних существенно ниже уровня сигнала S. Кроме того, в канал S включена также линия задержки ЛЗ с временем запаздывания, выбираемым в пределах от 10...15 до 25...30 мс в зависимости от объема помещения и от расстояний до фронтальных (L, С, R) и тыловых (S) громкоговорителей. Наличие ЛЗ гарантирует, что звук фронтальных громкоговорителей достигает ушей слушателя раньше, чем звук тыловых, а значит, возможность ошибки в оценке фронтального и тылового направлений будет исключена. Тем самым устраняется возможность ложной оценки направления на звуковой образ вследствие присущего слуху эффекта Хааса. С учетом всего изложенного реальная разделимость каналов L от R и С от S и наоборот составляет реально не менее 40 дБ (рисунок 3,б).

Применение пассивных декодеров не способно обеспечить правильную локализацию источников звука в пространстве на значительной площади прослушивания. С этой точки зрения определенным преимуществом обладают декодеры с регулируемым усилением в канале воспроизведения, точно также как это выполняется в адаптивных стереофонических системах звукопередачи.

Возможны два подхода к их построению. Предположим, что каждый из выходных каналов содержит свой усилитель УУ1----УУ4 с управляемым коэффициентом передачи. Пусть сигналы управления для них суммируются из входных сигналов ДКУ L1, R1, а также из их суммы L1 + R1 и разности L1 – R1 в специальном блоке БФУС. В этом блоке определяется, в каком канале следует уменьшить усиление, чтобы ослабить (подавить) мешающие (вредные) сигналы. Например, если на входе КУ присутствует только сигнал С, то следует уменьшить усиление в каналах L и R и т.п. Фактически звук может приходить с любого направления в пределах 360° и этого можно достичь, меняя в соотношение уровней сигналов в каналах воспроизведения. Но нужно это делать таким образом, чтобы для любого направления формирование КИЗ выполнялось бы сигналами не более чем двух каналов воспроизведения, точно также как это делается, например, в режиме формирования единственного КИЗ стереофонической системы повышенного качества звучания. Однако таким методом задача решается эффективно, лишь для случая единственного КИЗ.

Ситуация существенно усложняется, если звуковых образов несколько. Пусть, например, речь звучит на фоне музыки, при этом музыка по замыслу оператора должна воспроизводится громкоговорителями каналов L и R, а речь — громкоговорителем канала С. Пассивный декодер с этой задачей вообще не справится: речь будет воспроизводиться громкоговорителями всех трех каналов L, С, R; через громкоговоритель канала С будет прослушиваться и суммарный сигнал L + R, а через громкоговоритель канала S — разностный сигнал L — R. Теперь предположим, что ДКУ считает доминирующим сигналом речь, тогда он должен увеличить уровень сигнала в канале С и уменьшить соответственно уровень сигнала в каналах L и R. При этом музыкальное сопровождение останется в каналах С (монофонический сигнал L + R) и S (разностный сигнал L — К). В моменты времени, когда говорящие герои замолкают (пауза), восстанавливается усиление в каналах L и R. При появлении речи музыкальное сопровождение по уровню опять уменьшается. Такие изменение в звучании легко ощутимы, заметны на слух.

Другой способ состоит в попытке компенсации мешающих сигналов путем формирования их противофазных компонент и последующего сложения с исходными сигналами. Например, если взять сигнал правого канала R и инвертировать его по фазе и затем сложить с выходным сигналом левого канала L, то компоненты сигнала С в левом и правом каналах окажутся противофазными и после сложения взаимно компенсируются, а значит в канал L компоненты сигнала С не попадут. Именно этот принцип взаимной компенсации (cancellation concept) и используется в активных декодерах системы Dolby Pro Logic. Важно, что после исключения компонент сигнала С из левого канала воспроизведения, громкость (энергия сигнала) звука в этом канале не упадет, ибо компоненты сигнала С заместятся в этом канале инвертированным сигналом канала R (constant — power concept). В центральном канале по-прежнему прослушивается также и сумма сигналов L + R. В итоге доминирующий сигнал речи (фокусируется) в направлении громкоговорителя центрального канала С, а музыкальный фон, по-прежнему воспроизводится громкоговорителями каналов L и R и воспринимается как размытый звуковой образ. Здесь используется важное свойство психологии слуха — его способность концентрировать внимание именно на доминантном направлении, воспринимая все остальные звуки с других направлений как размытый (без четкой идентификации его в пространстве) звуковой образ. Этот принцип получил название «выделение доминирующего направления».

Рассматривая этот пример, мы предполагали, что громкость речи существенно выше музыкального фона. Если оба сигнала по уровню громкости близки, то один из них становится маскирующим для компонентов другого, попавшего не в свои каналы и требования к их «развязке» снижаются. В некоторых ситуациях вообще желательно исключить регулировку уровней сигналов на выходах ДКУ, сделав декодер пассивным. Этот режим аналогичен режиму множества КИЗ в системах с адаптацией. Например, звуки дождя или ветра. Они не связываются с каким либо конкретным каналом и могут воспроизводиться всеми громкоговорителями. Самая крайняя ситуация — все звуки связаны с одним единственным направлением (единственный КИЗ). С этой ситуацией не может справиться пассивный декодер, но для активного декодера — это наиболее простая ситуация. Самая трудная ситуация, когда мы должны передать одновременно два разных направления без доминирования. В такой системе, которая постоянно перестраивается, выделяя то или иное доминирующее направления звука, очень важную роль играет с позиций слуха оптимальный выбор временных параметров декодера. Здесь также реализовано два режима работы — быстрый и медленный. Быстрый режим реакции ДКУ используется, если доминирующее направление явно выражено и если эти направления последовательно меняются. Медленный режим используется, когда доминирующих направлений несколько и они близки по уровню громкости.

Вся информация, необходимая активному декодеру для управления усилением каналов воспроизведения извлекается им из входных сигналов. Ее достаточно для идентификации любого направления, что иллюстрирует рисунок 4. Здесь ось X соответствует левому L и правому R направлениям звука (каналы L и R), ось Y — фронтальному (канал С) и тыловому направлениям (канал S) локализации. Меняя амплитуды каждого из этих четырех выходных сигналов можно получить любое направление локализации звука в горизонтальной плоскости.

Структурная схема ДКУ системы Dolby Pro Logic представлена на рисунке 5. Она содержит полосовой фильтр ПФ с частотами среза 100 и 7000 Гц, матрицу М1 где выполняется суммарно-разностное преобразование входной пары сигналов L1 и R1. формирователь сигналов управления (ФСУ), управляемые усилители УУ и матрицу М2 формирования

Рисунок 4 График выделения при декодировании доминирующего направления

Рисунок 5 Структурная схема активного декодера системы Dolby Pro Logic

выходных сигналов декодера (Left, Right, Center, Surround). Основную часть ДКУ образуют элементы ПФ и ФУС, выполняющие анализ входной пары сигналов и формирование сигналов управления и лишь относительно небольшая их часть M1, УУ и М2 участвует в обработке входной пары сигналов с целью получения выходных сигналов декодера.

Основная задача ДКУ — правильно определить доминирующее направление, если таковое в текущий момент времени имеется. Перед обработкой сигналы L1 и R1 нормируются, чтобы исключить ошибки, связанные с не идентичностью характеристик каналов передачи-записи информации.

Полосой фильтр ПФ отсекает высокочастотные компоненты входных сигналов с тем, чтобы исключить их из последующего анализа, так как именно они наиболее подвержены фазовым искажениям, возникающим в каналах передачи. Кроме того, напомним также, что на частотах выше 7000 Гц энергия звуковых сигналов существенно ниже, чем в области средних частот, поэтому их вклад в оценку азимута КИЗ незначителен. Далее сигналы L1, R1, L1 + R1 и L1— R1 выпрямляются и усредняются (B1, B2, B3, B4), полученные в результате этой операции их огибающие поступают попарно на входы двух дифференциальных усилителей ДУ1 и ДУ2. При этом медленно меняющееся напряжение на выходе ДУ1 пропорционально логарифму отношения амплитуд lg(L1/R1) огибающих, а напряжение на выходе ДУ2 соответственно пропорционально логарифму отношения амплитуд !g((L1+R1)/(L1-R1)) огибающих. Заметим, что каждый из этих двух сигналов является биполярным, т.е. положительным (если L1> R1 или (L1-R1) > (L1-R1) и отрицательным (когда (L < R1 или (L1+R1) < (L1-R1). Очевидно (рисунок 4), что если сигнал на выходе ДУ1 положителен, то это значит, что источник звука находится справа от медианной плоскости головы слушателя, если же при этом еще и сигнал на выходе ДУ2 также положителен, то источник звука расположен справа во фронтальной части пространства. При этом его азимут в пространстве полностью определяется этой парой сигналов. Если эти сигналы равны нулю, то доминирования какого либо в этом случае нет. Величина каждого из этих сигналов в блоке сравнения БС сравнивается с пороговым напряжением Е_п и, если один из этой пары сигналов или оба они оказывается выше некоторого порогового значения, то это говорит о наличии доминирующего направления локализации. Как только его наличие идентифицируется, то устройство переходит в быстрый режим работы и наоборот. Переключение постоянных времени выполняется одновременно в блоках, обозначенных на данном рисунке 5 буквой т. При работе в быстром режиме она составляет 3...5 мс, в медленном режиме — уже около1...2 с. Преобразователи полярности сигналов lg(L1/R1) и !g((L1+R1)/(L1-R1)) (ППС1 и ППС2) образуют из двух биполярных сигналов соответственно четыре однополярных ЕL, ЕR, ЕC, Es. Теперь вектор доминирующего направления оказывается уже представленным четырьмя сигналами, которые уже можно использовать для регулирования коэффициентов передачи управляемых усилителей УУ для компенсации мешающих сигналов. Они образуют матрицу, состоящую из восьми таких усилителей, на выходах которой мы имеем соответственно восемь сигналов ЕLL1, ElR1, ErLi, ErR1, EcL1, EcR1, EsL1, EsR.- С учетом входных сигналов L1 и R1 на выходную матрицу М2 декодера системы Dolby Pro Logic поступает в общей сложности десять сигналов, где они суммируются и вычитаются с различными весовыми коэффициентами, образуя, в конечном итоге, выходные сигналы ДКУ — Left, Right, Center и Surround. Декодер обеспечивает точную передачу доминирующего направления, перераспределение мощности выходных сигналов так, чтобы исключить изменение громкости звучания и сделать регулировки коэффициентов передачи незаметными на слух.

Обычно в системы Dolby вводят также дополнительный канал сверхнизких частот (СНЧ) и соответствующий ему громкоговоритель СНЧ (Subwoofer), обеспечивающий воспроизведение сигналов в полосе частот до 80...125 Гц. Нижняя граница полосы частот, воспроизводимых фронтальными громкоговорителями, в данном случае может быть повышена до 80... 125 Гц без потери качества. При этом тракт сверхнизких частот оптимизируется с целью получения минимальных искажений на низших частотах. Остальные каналы воспроизведения определяют возможности системы по передаче пространственной информации и оптимизируются именно по указанному критерию.

Системы Dolby Digital и Doby EX в отличие от уже рассмотренных ранее являются дискретными системами звукопередачи, т.е. они имеют соответственно 5 и 6 каналов передачи-записи информации. В них отсутствуют КУ и ДКУ, но так же, как и ранее, существует канал СНЧ.