Stereозвук на телевидении

Стереозвучание (обычное двухканальное) уже стало “нормой жизни”. Даже самая простая переносная аппаратура сегодня готова к стерео воспроизведению.

Телевизоры не отстают, и активно подтягиваются к этой линии фронта. Как только модель поприличней, тут же и стереофония. Но вот какой в этом толк обычному российскому телезрителю?

Наиболее очевидный смысл – применение стереофонического телевизора в связке со стерео видеомагнитофоном (при условии, что видеоматериал будет записан в стерео режиме), но это не совсем или точнее нужно сказать совсем не телевидение.

Для начала немного общей информации.
Давайте немного разберемся, что же такое стерео?
Особенностью человеческого слуха является то, что он позволяет различать пространственное расположение источника звука. Даже закрыв глаза, человек может довольно точно определить, откуда исходит звук.

При моно записи звуки записываются при помощи одного микрофона и воспроизводятся из одного источника. При этом информация о пространственном расположении источников звука теряется. Слушатель воспринимает всю воспроизводимую звуковую картину исходящей из одной точки.

В системе стерео звук записывается при помощи двух микрофонов, причем сигналы записываются отдельно друг от друга, и в совокупности несут информацию о пространственном расположении и перемещении записываемых источников звука. При записи в студии, чаще всего, каждый источник звука записывается отдельно.

Затем все записанные каналы сводятся звукооператором в два канала. При этом задается необходимое их пространственное расположение. При воспроизведении стереосигнал подается на две разнесенные в пространстве звуковые колонки, причем каждая воспроизводит свой канал.

Слушатель, находясь в определенной зоне перед колонками, воспринимает слитную звуковую картину, в которой различные ее составляющие распределены в пространстве между колонками.

Одним из недостатков стереозвучания является то, что слушатель как бы воспринимает звуковую картину извне, находясь перед ней, а не внутри нее, так как звуки приходящие с тыльной стороны отсутствуют. Так же было замечено, что стереоэффект проявляется в полной мере лишь в ограниченной зоне прослушивания.

Эти недостатки попытались преодолеть в популярных в 70-е годы четырехканальных системах записи и воспроизведения звука, получивших название квадрофонических.

Расположившись посередине между двумя фронтальными и двумя тыловыми колонками, слушатель находился в центре звуковой картины, и получал звуковую информацию со всех сторон.

К сожалению, из-за своей громоздкости и сравнительно высокой цены, эти системы не получили широкого распространения, хотя опыт их создания был использован при разработке многоканальных систем домашнего кинотеатра.

Cтереозвучание давно стало привычной принадлежностью высококачественной бытовой аппаратуры для записи и воспроизведения звука.

До недавнего времени телевизор оставался досадным исключением. Разработанные в 50-60-е годы телевизионные стандарты не предполагали наличия стереозвука. Лишь в конце 70-х годов стерео начало завоевывать телевидение. С начала 80-х годов в Японии и Германии начинают вести регулярное телевещание со стереозвуком.

К сожалению, телевизионное стерео вещание у нас в стране до сих пор находится на зачаточном уровне. Самое в этом любопытное, что именно в СССР были проведены одни из первых опытов стереофонического телевидения.

Было это в 70-х годах, и выглядело следующим образом. На УКВ в стерео режиме одновременно с телевизионной программой транслировалось её звуковое сопровождение. Обычно это были записи опер из большого театра.

Но надо признать, всё это выглядело не слишком удобным, и уже по этой причине было малопригодно к массовому использованию.

В настоящее время в мире используются две системы стереофонического телевидения. Они вполне совместимы с обычными телевизионными форматами.
Это - Немецкое стерео (A2) и Nicam.

Первая система проста до жути. Сумма двух каналов передается как обычное звуковое сопровождение (т.е. с FM-модуляцией). На дополнительной частоте передается сигнал правого канала.

B/G (поднесущие звука 5,5MГц; 5,742MГц)
D/K (поднесущие звука 6,5MГц; 6,258MГц)
Таким образом, монофонический телеприёмник воспримет передачу как обычную (моно), а стереофонический вычтет из суммы правый канал и получит левый.

У метода, конечно, есть изъяны. Недостаточно широкий диапазон звуковых частот (40-15000 Hz вместо хотя бы 40-20000) и высокий уровень шума (-50 dB вместо хотя бы 70)и искажений. У нас же он не идёт совсем не по этой причине. Просто для её осуществления требуется на телевизионной станции устанавливать дополнительный передатчик для правого канала.

Казалось бы, её легко можно осуществить в кабельных сетях, но там мешает другое. Наличие дополнительной несущей звука ввиду интермодуляционных искажений осложняет вещание в смежных телевизионных каналах, зашумляет соседний, требует другого взаимного расположения каналов в эфире.

Хотя, надо отметить, что в небольших сетях стандарт A2 успешно применяется (например, для ретрансляции телевизионных стерео программ со спутника).

Но, в 1986 году специалистами английской телерадиокорпорации ВВС была разработана цифровая система телевизионного стерео вещания NICAM, существенно более качественная, чем аналоговые системы. Первоначально NICAM предполагалось использовать главным образом в спутниковой системе ТВ улучшенного качества D2-MAC.

Но затем, в 90-е годы, NICAM начали широко использовать и в наземных системах эфирного телевидения.
Система Nicam сложнее уже тем, что цифровая. Весь поток данных (два канала аудио и служебные данные) при этом компрессирован в 728 кбит/с.

Это хоть и цифра, но даже далеко не компакт-диск. Изначально 14 бит вместо 16, частота дискретизации 32 вместо 44,1 kHz. В итоге полоса звуковых частот 30-15000 Hz. Хотя это лучше, чем у А2.

Да и дополнительного передатчика не требуется, т.к. звуковой сигнал передается в составе видеосигнала на частоте поднесущей 5,85 МГц.

Однако все телевизионные центры придется оснастить аппаратурой кодирования Nicam, что в условиях нашей страны пока несколько накладно.

Хотелось бы отметить, что не все стерео телевизоры имеют встроенные декодеры для воспроизведения стереозвука в стандартах A2 и Nicam.

Наряду с “настоящим” стерео существуют системы “псевдостерео”, преобразующие одноканальный монозвук в два канала, со звучанием, имитирующим пространственный стереозвук.

Системы многоканального звука

Дальнейшее развитие системы звука в телевидении получают при реализации идеи “домашнего кинотеатра”. В результате развития усовершенствованных систем телевидения и телевидения высокой четкости было достигнуто значительное улучшение качества телевизионного изображения.

Картинка на экране телевизора по качеству вплотную приблизилась к картинке на киноэкране. Лишь звук, даже стерео, не создавал атмосферы кинотеатра. Дело в том, что в кинотеатрах развитых стран уже давно стандартом стал многоканальный звук.

Первые многоканальные звуковые системы для кино были разработаны в начале 50-х годов. Уже в те времена “киношное стерео” использовало как минимум четыре канала: левый, средний и правый, расположенные за киноэкраном, а также канал эффектов, звучащий за спинами кинозрителей.

Канал эффектов служил для создания фоновых звуков, например отдаленных шумов, раскатов грома и так далее. В настоящее время существуют различные системы записи звука для кинофильмов, число каналов в которых варьируется от четырех и более. Самое широкое распространение получила система Dolby Stereo.

Dolby Stereo

В середине семидесятых годов фирма Dolby Laboratories (США), известная своими изобретениями в области звука, разработала систему записи звука на кинопленку, получившую название Dolby Stereo.

Эта система позволяет закодировать необходимые четыре канала в двух звуковых оптических дорожках, расположенных на кинопленке. В кинотеатре двухдорожечный сигнал считывается с пленки и с помощью декодера преобразовывается обратно в четыре канала.

Без декодера звук воспроизводится как при обычном стерео. В настоящее время по этой технологии озвучивается большинство художественных кинофильмов. Аппаратурой Dolby Stereo оборудовано более 17500 кинотеатров мира.

Dolby Surround

Возникла идея применить разработки многоканальных звуковых систем для кинотеатров и для просмотра видеопрограмм дома, с телевизора. Фирмой Dolby Laboratories в начале 80-х годов была представлена система Dolby Surround Sound (DSS) для домашнего видео, которая при помощи декодера Dolby Surround позволяет из закодированного двухканального сигнала выделять три звуковых канала: левый, правый и тыловой.

При отсутствии декодера воспроизводится обычный двухканальный стереозвук. Следующим шагом в развитии многоканального звука для систем “домашнего кинотеатра” стало появление более совершенного декодера Dolby Surround Pro-Logic (DPL), выделяющего уже четыре канала: левый, центральный, правый и тыловой.

Декодеры DSS и DPL продаются как по отдельности, так и встроенными в усилители, телевизоры, спутниковые ресиверы.
На входе кодера Dolby Surround присутствуют сигналы четырех каналов – L (Left), C (Central), R (Right) и S (Surround), а на выходах - два канала Lt (left-total) и Rt (right-total).

Слово "total" (общий) означает, что каналы содержат 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 каких-либо 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 (BPF) от 100 Гц до 7 кГц
Сигнал обрабатывается шумоподавителем - процессором Dolby B-type Noise Reduction
Сигнал S сдвигается по фазе на +90 и -90 градусов, 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 факт - 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.

Такое кодирование позволяет передать сигналы S 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 (crosstalk) части сигнала С в канал S.

THX

Одной из причин создания стандарта ТНХ явилось резко отрицательное отношение продюсера и режиссера, создателя знаменитых “Звездных войн”, Джорджа Лукаса к воспроизведению звука его фильмов в кинотеатрах, оборудованных системами многоканального звука фирмы Dolby.

В результате продолжительных исследований сотрудниками Lucasfilm Ltd. был создан новый стандарт звуковоспроизведения.

Работы проводились под руководством главного инженера фирмы Тома Холмана, поэтому новый стандарт получил название Tom Holman's eXperiment (эксперимент Тома Холмана) или, сокращенно, ТНХ.

Этот формат определил новую концепцию пространственного звучания, наиболее естественную и максимально приспособленную к условиям домашнего видеопросмотра.

Используя результаты декодирования процессора Dolby Pro-Logic, который образует всего четыре канала, ТНХ дополнительно разделяет монофонический канал эффектов на два псевдостереофонических - левый и правый и создает дополнительный сверхнизкочастотный канал (канал сабвуфера - громкоговорителя специально предназначенного для воспроизведения мощных низкочастотных звуков).

Одновременно достигается улучшение воспроизведения низких частот (20-80 Гц), коррекция звука фронтальных каналов, адаптирующая звуковое сопровождение к условиям прослушивания с близкого расстояния (в обычной комнате).

Также используется корректирующая схема для сохранения спектрального баланса при движении мнимого источника звука от фронтальных к тыловым громкоговорителям.

Дальнейшим развитием THX явилось появление более совершенного стандарта - THX Ultra. Следует отметить, что существуют и другие, более простые чем ТНХ, системы развивающие идею Dolby Pro-Logic. Например, такая как 5CH Cinema обрабатывает только тыловые каналы, преобразуя их в псевдостерео.

AC-3

Системы DSS и DPL являются аналоговыми, и при бурном развитии систем цифровой звукозаписи вполне логичным явилось появление цифровой системы Dolby Digital AC-3 (Audio Coding - 3).

Впервые она была применена в 1992 году, в кинотеатрах с многоканальным звуком, а с 1994 года ее начали использовать для звукового сопровождения непосредственного теле- и радиовещания со спутников. Система АС-3 позволяет получать на выходе шесть каналов звука.

Из них пять полнодиапазонных (30-20000 Гц): три фронтальных - левый, центральный, правый и два тыловых, а так же низкочастотный (20-120 Гц) канал сабвуфера. Система АС-3, по мнению экспертов, считается на сегодняшний день одной из наиболее перспективных систем объемного звучания. Она принята в качестве звукового стандарта для лазерных видеодисков формата DVD.

MPEG Multichannel

MPEG Multichannel или MPEG-2 Audio так же как и предыдущий стандарт применяется для записи звука на DVD видеодиски. Создан он был в рамках разработки цифрового стандарта вещательного телевидения MPEG-2.

AC-3 и MPEG-2 Audio обеспечивают примерно одинаковое качество шестиканального звука. Хотя некоторые специалисты отмечают большую гибкость последнего, вследствие возможности переменной скорости записи звуковых данных.

DTS

DTS (Digital Theater System) - шестиканальная цифровая система записи звукового сопровождения кинофильмов, широко распространенная в США. В этом стандарте, например, записана звуковая дорожка фильма “Парк юрского периода”. Считается, что эта система обеспечивает лучшее качество звука, чем АС-3 из-за меньшего сжатия исходной звуковой информации.