Радиосвязь,_радиовещание,телевидение2

Рис. 6.19. Функциональная схема кодера Dolby Surround

которые будут прослушиваться одновременно, и при этом воссоздавать в сознании слушателя пространственную звуковую картину. Эта картина составляется из нескольких звуковых образов– звуков, которые слушатель воспринимает связанными со зрительными образами на экране.

На входе кодера Dolby Surround (рис. 6.19) присутствуют сигналы четырех каналов – L, C, R и S, а на выходах – двух каналов Lt (lefttotal) и Rt (right-total). Слово «total» (общий) означает, что каналы со-

держат не только «свой» сигнал (левый и правый), но и кодированные сигналы других каналов – C и S.

Сигналы каналов L и R передаются на выходы Lt и Rt без какихлибо 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(ПФ) с полосой пропускания от 100 Гц до 7 кГц;

§обрабатывается шумоподавителемDolby B;

§сдвигается по фазе на+90 и –90°, 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 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.

212 Глава 6. Перспективы развития радиовещания

Такое кодирование позволяет передать сигналыS 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 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 стереосигнала, и опознать кодированный сигнал простыми «аппаратными» методами 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 каналамиLt 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 сигналаS, 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, «фантомный» звук, витающий где-то между акустическими системами L и R. Таким образом, сигнал Dolby Surround совместим с любой стереоаппаратурой как с декодером Surround, так и без него.

Пассивный декодер Dolby Surround выделяет только один дополнительный канал – канал S. Функциональная схема декодера показана на рис. 6.20. 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

акустическую систему. Компоненты сигнала S воспроизводятся также

ский эффект лежит в основе двухканального стерео. Именно поэтому слушатель стереосистемы старается разместить громкоговорители двух каналов как можно более точно– на равном расстоянии прямо перед собой. Для четвертого канала достаточная развязка не обеспечивается.

В том, что часть сигнала Surround проникает в левый и правый каналы, нет большой беды. Во-первых, слушатель ожидает, что все звуки исходят, прежде всего, со стороны фронта, так как вызваны действиями, происходящими на экране. Во-вторых, звук, передаваемый в канале Surround, обычно не связывается с каким-то конкретным источником. Например, мы видим на экране вспышку молнии, а гром, шум дождя и ветра мы слышим отовсюду – со всех направлений сразу.

Гораздо хуже обратное явление– проникновение сигналов L и R

вканал S. Разумеется, технологией Surround предполагается, что акустические системы всех каналов установлены в помещении конечного объема и пространственное сложение всех сигналов неизбежно. Это вовсе не значит, что можно пренебречь слабой развязкой между фронтальными каналами и каналомSurround. Действительно, если источник звука расположен на разных расстояниях от микрофоновL и R, уровень сигналов в этих каналах будет различным. В результате на выходе дифференциального усилителя кроме сигналаSurround неизбежно будет присутствовать разностный сигнал (L – R). Эксперименты показали, что прослушивание сигналов фронтальных каналов

вгромкоговорителях Surround, особенно речи, в большой степени портит впечатления. Для того чтобы обеспечить развязку центральных каналов и каналаSurround, в реальном пассивном декодере используются дополнительные преобразования:

¨Временная задержка в канале S (около 10 мс) позволяет исключить так называемый эффект Хааса. Сущность эффекта заключается

втом, что если слушатель располагается ближе к акустическим системам Surround, чем к системам фронтальных каналов, он сперва

слышит компоненты сигналовL и R, проникшие в каналSurround, 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 S.

¨ Фильтр нижних частот 7 кГц используется по нескольким причинам. Основная из них: если источник звука смещен вправо или влево 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

216 Глава 6. Перспективы развития радиовещания

Активные декодеры предполагают как бы пространственную фокусировку звуковых образов. Этим термином обозначается любая технология, используемая для устранения проникновения сигналов одного канала в другой и основанная на изменении выходных сигналов декодера. Активный декодер представляет собой комбинацию пассивного декодера и регулирующей цепи. Чтобы понять сам принцип, рассмотрим простейшую технику активного декодирования– регулировку усиления каналов. На рис. 6.22 показана функциональная схема активного декодера. На каждом выходе декодера установлен регулируемый усилитель (РУ), управляемый напряжением, вырабатываемым управляющей цепью (УЦ).

Для примера, возьмем случай, когда источник звука – единственный, и он расположен непосредственно у микрофона центрального канала С. Из рис. 6.21 видно, что пассивный декодер передаст сигнал центрального канала в выходной канал С, а также и в каналыR и L

с ослаблением всего на 3 дБ. Управляющая цепь активного декодера определяет, в каких каналах необходимо уменьшить усиление, чтобы подавить проникающие сигналы соседних каналов до необходимого уровня. В данном примере декодеру необходимо уменьшить усиление в каналах L и R, оставив слышимым сигнал канала С. Таким же образом можно развязать выход левого канала, уменьшив усиление в каналах C и S, когда на входе декодера присутствует только сигналLt.

Так как сигнал может приходить с любого направления в пределах всех 360°, то изменяя усиление каналов в определенной пропорции, можно достичь достаточной степени развязки.

Таким «прямым» методом проблема решается только для единственного звукового образа. Реальная звуковая панорама содержит звуки нескольких независимых источников. Рассмотрим случай, когда речь звучит на фоне музыки. Музыка должна воспроизводиться акустическими системами левого и правого каналов, а речь – только системой центрального канала. Пассивный декодер с такой задачей не справится вообще. Речь будет воспроизводиться как системой центрального канала, так и системами левого и правого каналов. Стереофоническая музыка будет воспроизводиться системамиL и R, кроме того, суммарный сигнал L+R будет прослушиваться через систему С, а разностный L – R – через систему S.

Полагаем, что активный декодер считает речь доминирующим звуковым образом и уменьшает усиление каналовL и R, чтобы сфокусировать этот образ в направлении С. Но при этом теряется стереофоническая музыка, остается только монофонический звук суммы (L + R) в канале С и «фантомный» звук разности (L – R) в канале S. Если говорящие герои замолкают, декодер восстанавливает усиление каналов L и R, и музыка становится слышимой и, наоборот, при возобновлении речи музыка пропадает. Такое явление «качания» мощности не

Рис. 6.23. Функциональная схема активного декодера с инвертором

доминирующих звуковых образов в зависимости от мощности доминирующего хорошо ощутимо.

Другой способ избавиться от проникновения речевого сигнала в левый и правый каналы показан на рис. 6.23. Если взять сигнал правого канала, инвертировать его полярность и сложить с выходным сигналом левого канала – компоненты сигнала С в левом и правом каналах окажутся противофазными и взаимно компенсируются, таким образом, в канал L компоненты сигнала С не попадут.

Принцип взаимной компенсации – основной принцип активного декодирования и он в том или ином виде используется во всех реальных активных декодерах.

После исключения сигнала центрального канала мощность звука в левом канале не уменьшается, часть сигнала левого канала заменяется инвертированным сигналом правого канала. Кроме того, в центральном канале по-прежнему прослушивается суммарный сигнал L + R. В результате доминирующий звуковой образ (речь в канале С) фокусируется в направлении акустической системы С, а образы, соответствующие направлениям R и L, наоборот, «размазываются» в пространстве. Декодером используется один из принципов психоакустики, принцип маскирования: воздействие доминирующего звукового образа временно снижает способность слушателя определять направления на другие звуковые образы. Так как мощность звуков, соответствующих этим образам, остается неизменной, «качания» (модуляции) этих звуков не наблюдается. В этом заключается другой принцип психоакустики – принцип постоянства мощности. Выпол-

218 Глава 6. Перспективы развития радиовещания

няя принцип постоянства мощности в сочетании с активной взаимной компенсацией только в те моменты, когда требуется передача точного направления на звуковой образ, можно эффективно скрыть факт перераспределения мощности не доминирующих звуков.

В рассмотренном примере мы предполагали, что громкость речи выше громкости музыки, поэтому сигнал речи используется как управляющий, сигнал музыки – как управляемый. В реальности разница уровней подобных сигналов может быть менее значительной. Если два разных звука близки по уровню, один из них становится маскирующим для компонентов другого, попавших не в «свои» каналы, и наоборот, и требования к степени развязки снижаются. В таком случае требуется меньшая степень активной компенсации ,исоответственно, меньшая степень перераспределения не доминирующих сигналов по направлению.

Иногда желательно вообще исключить регулировку усиления, сделав декодер «пассивным». Например, звуки дождя или ветра воспринимаются слушателем на подсознательном уровне. Они не связываются с конкретным источником и могут воспроизводиться всеми громкоговорителями одновременно. В этом случае не требуется -про странственной фокусировки звука, следовательно, и активного декодирования.

Крайнее проявление доминирования: все присутствующие в звуковой панораме звуки в данный момент связаны с одним направлением. Если сигнал обрабатывается пассивным декодером, из-за перетекания части мощности сигнала в соседние каналы возникает ошибка направления. Так как звуковой образ один, то в сигнале нет других звуков, способных маскировать эту ошибку. Таким образом, если доминирующий звуковой образ– единственный звуковой образ, перераспределение мощности по направлению становится особенно -за метным. Но именно при этом условии легче всего компенсировать проникновение сигнала в другие каналы, используя технику компенсации. Так как сигналов с других направлений нет, нет и эффекта модуляции их мощности.

Другой крайний случай: два или более звуковых образа присутствуют одновременно на разных направлениях и имеют примерно одинаковую мощность. В этом случае способность слушателя к определению направления на образы притупляется, поэтому технику компенсации можно не использовать или использовать не в полной мере.

Чтобы обеспечить эффективное декодирование для обоих случаев, декодер Pro Logic автоматически выбирает один из режимов декодирования, «быстрый» или «медленный». «Быстрый» режим используется, если доминирующий звуковой образ намного мощнее других образов. Если такие образы возникают на разных направлениях последовательно во времени, декодер должен последовательно

Рис. 6.24. К пояснению принципа декодирования – усиления по доминантному направлению

воспроизвести их на соответствующих направлениях. В любой момент времени декодер регулирует усиление выходов, исходя из наличия одного источника доминирующего звука, но в течение некоторого времени все источники последовательно воспринимаются раздельно. Для этого необходимо, чтобы время реакции управляющей цепи декодера на изменение входных сигналов было минимальным. Второй режим, «медленный», включается декодером, если мощности разных образов отличаются незначительно. В «медленном» режиме декодер отслеживает изменения входных сигналов с большей задержкой. В таких условиях маскирование проявляется слабо, поэтому, если декодер продолжит работу в«быстром» режиме, модуляция мощности не доминирующих образов станет заметной.

По определению, в каждый момент времени может существовать только один доминирующий образ, и ему соответствует единственное направление. Декодеру необходимо в любой момент времени иметь информацию о точном направлении на доминирующий образ независимо от того, как быстро меняется пространственная звуковая картинка. Анализируя две пары электрических сигналов, соответствующих ортогональным осям декодера (левый-правый каналы, центральный канал – Surround), можно однозначно идентифицировать любое направление в пространстве.

На рис. 6.24 изображена система координат. Оси «левый-правый канал» соответствует ось Х, оси «центр-Surround» – ось Y. Если на осях отложить значения отношений амплитуд одного и того же сигнала в соответствующих каналах, по двум проекциям можно построить вектор, полностью определяющий доминирующий звуковой образ в данный момент.

Угол вектора относительно оси Х определяет направление на -ис точник звука, длина вектора – мощность звука.

Декодер Dolby Surround Pro Logic II. Pro Logic II – активный де-

кодер Dolby Surround следующего поколения. Он также использует

Рис. 6.25. Функциональная схема декодера Dolby Surround Pro Logic II

пространственную фокусировку, но реализован принципиально другими методами. Новый декодер получился намного проще и при этом эффективнее.

Вспомним: задача декодера – предотвратить проникновение сигналов L и R в канал S независимо от того, где находится источник сигнала – точно между микрофонами L и R, смещен от центра в ту или иную сторону или вообще находится непосредственно рядом с микрофоном одного из каналов. Например, если герои ведут диалог между микрофонами каналов R и C (справа от центра), то уровень сигнала в каналах C и R будет одинаковым. В этом случае часть сигнала неизбежно проникнет на выходS пассивного декодера, так как уровень в каналеL ниже, чем в каналеR, и при вычитании одного сигнала из другого результат не будет нулевым.

Чтобы полностью компенсировать сигналыL и R на входах декодера Surround, необходимо перед подачей на сумматор выровнять их уровни. Для этого между входамиLt и Rt и входами сумматора устанавливаются два регулируемых усилителя(РУ). Усиление РУ двух каналов изменяется одним и тем же управляющим сигналом, но в разной полярности. Если увеличивается усиление одного РУ, усиление второго уменьшается. Если такую регулировку осуществлять достаточно точно и достаточно синхронно с изменениями самого сигнала, можно полностью подавить разностный сигнал каналов Lt и Rt в канале S.

Чтобы автоматически отследить изменения входных сигналов, используется специальная цепь отрицательной обратной связи. Выходные сигналы обоих РУ поступают на амплитудные детекторы, которые выделяют огибающую звуковых сигналов. Сигналы постоянного тока, пропорциональные амплитудам сигналов L и R, сравниваются дифференциальным усилителем. Сигнал с выхода усилителя, пропорцио-