Матричный декодер

Матричное декодирование — это аудиотехнология, при которой небольшое количество дискретных аудиоканалов (например, 2) декодируется в большее количество каналов при воспроизведении (например, 5). Каналы обычно, но не всегда, предназначены для передачи или записи кодером и декодируются для воспроизведения декодером. Функция заключается в том, чтобы позволить многоканальному звуку, такому как квадрафонический звук или объемный звук , кодироваться в стереосигнал и, таким образом, воспроизводиться как стерео на стереооборудовании и как объемное звучание на оборудовании объемного звучания - это «совместимый» многоканальный звук.

Процесс

Матричное кодирование не позволяет закодировать несколько каналов в меньшее количество каналов без потери информации: нельзя уместить 5 каналов в 2 (или даже 3 в 2) без потери информации, так как при этом теряется размерность : декодированные сигналы не являются независимыми . Идея состоит скорее в том, чтобы закодировать что-то, что будет одновременно приемлемым приближением объемного звука при декодировании и приемлемым (или даже превосходящим) стереозвуком.

Обозначения

Обозначение матричного кодирования состоит из количества исходных дискретных аудиоканалов, отделенных двоеточием от количества кодированных и декодированных каналов. Например, четыре канала, закодированные в два дискретных канала и декодированные обратно в четыре канала, будут обозначаться следующим образом:

4:2:4

Некоторые методы извлекают новые каналы из существующих без специального кодирования источника звука. Например, пять дискретных каналов, декодированных в шесть каналов, будут обозначаться следующим образом:

5:5:6

Такие «декодеры» производных каналов могут использовать эффект Хааса , а также звуковые сигналы, присущие исходным каналам.

Разработано множество методов матричного кодирования:

Хафлер обходит (2:2:4)

Самая ранняя и более простая форма декодирования — это схема Хафлера , извлекающая обратные каналы из обычной стереозаписи (2:2:4). Он использовался только для декодирования (кодирование звука не рассматривалось).

Матрица декодирования

Матрица декодирования	Левый передний	Правый передний	Левый защитник	Правый защитник
Осталось всего	1.0	0.0	1.0	-1.0
Правильный итог	0.0	1.0	-1.0	1.0

Матрица Dynaquad (2:2:4) / (4:2:4)

Матрица Dynaquad , представленная в 1969 году, была основана на схеме Хафлера , но также использовалась для специфического кодирования 4 звуковых каналов в некоторых альбомах (4:2:4). ^{[ 1 ]}

Матрица кодирования

Матрица	Левый передний	Правый передний	Левый защитник	Правый защитник
Осталось всего	1.0	0.25	1.0	-0.5
Правильный итог	0.25	1.0	-0.5	1.0

Матрица декодирования

Матрица ^{[ 2 ]}	Левый передний	Правый передний	Левый защитник	Правый защитник
Осталось всего	1.0	0.0	0.64	-0.36
Правильный итог	0.0	1.0	-0.36	0.64

Матрица Electro-Voice Stereo-4 (2:2:4) / (4:2:4)

Матрица Stereo-4 была изобретена Леонардом Фельдманом и Джоном Фикслером, представлена в 1970 году и продавалась компаниями Electro-Voice и Radio Shack . Эта матрица использовалась для кодирования 4 звуковых каналов на многих альбомах (4:2:4). ^{[ 3 ]}

Матрица кодирования

Матрица	Левый передний	Правый передний	Левый защитник	Правый защитник
Осталось всего	1.0	0.3	1.0	-0.5
Правильный итог	0.3	1.0	-0.5	1.0

Матрица декодирования

Матрица ^{[ 2 ]}	Левый передний	Правый передний	Левый защитник	Правый защитник
Осталось всего	1.0	0.2	1.0	-0.8
Правильный итог	0.2	1.0	-0.8	1.0

Матрица SQ, «Стерео квадрафонический», CBS SQ (4:2:4)

Матрица	Левый передний	Правый передний	Левый защитник	Правый защитник
Осталось всего	1.0	0.0	к0,7	0.7
Правильный итог	0.0	1.0	-0.7	j0.7

$j=+90^{\circ }$ фазовый сдвиг, $k=-90^{\circ }$ фазовый сдвиг

Базовая матрица SQ имела аномалии моно/стерео, а также проблемы с кодированием/декодированием, которые подверглись резкой критике со стороны Майкла Герзона и других. ^{[ 4 ]}

Попытка улучшить систему привела к использованию других кодеров или методов захвата звука, однако матрица декодирования осталась неизменной.

Датчик положения

Кодировщик N/2, который кодировал каждую позицию в круге на 360°. Он имел 16 входов, и каждый из них можно было набрать в точном желаемом направлении, генерируя оптимизированное кодирование.

Прямоориентированный кодер

Матрица	Левый передний	Правый передний	Левый защитник	Правый защитник
Осталось всего	1.0	0.0	0.7	к0,7
Правильный итог	0.0	1.0	к0,7	0.7

$j=+90^{\circ }$ фазовый сдвиг, $k=-90^{\circ }$ фазовый сдвиг

Кодер с прямой ориентацией позволил кодировать центральную часть задней части как центральную переднюю и был рекомендован для использования в прямом эфире для максимальной моносовместимости - он также оптимальным образом кодировал центральный левый/центральный правый и оба диагональных разделения. Может использоваться для модификации существующих 2-канальных стереозаписей и создания «синтезированного SQ», который при воспроизведении через декодер Full-Logic или Tate DES SQ демонстрировал синтезированный четырехкратный эффект 180 ° или 270 °. Многие стерео FM-радиостанции, вещавшие SQ в 1970-х годах, использовали для этого свой прямой кодер SQ. Для декодеров SQ компания CBS разработала схему, обеспечивающую усиление сигнала на 270° с использованием фазовращателей на 90° в декодере. Кодеры QS Sansui и декодеры QS Vario-Matrix имели аналогичные возможности.

Обратно-ориентированный кодер

Матрица	Левый передний	Правый передний	Левый защитник	Правый защитник
Осталось всего	к1.0	0.0	к0,7	0.7
Правильный итог	0.0	j1.0	-0.7	j0.7

$j=+90^{\circ }$ фазовый сдвиг, $k=-90^{\circ }$ фазовый сдвиг

Обратно-ориентированный кодировщик был противоположностью прямоориентированного кодировщика - он позволял оптимально размещать звуки в задней половине комнаты, но при этом жертвовалась моносовместимостью. При использовании со стандартными стереозаписями он создавал «сверхширокое» стерео со звуками вне динамиков.

Некоторые микшеры кодирования имели полосы каналов, переключаемые между кодированием с прямой и обратной ориентацией.

Лондонская коробка

Он кодировал центральную часть спины таким образом, чтобы его нельзя было отменить при монофоническом воспроизведении, поэтому его выходной сигнал обычно смешивался с выходным сигналом кодировщика положения или кодера с прямой ориентацией. После 1972 года подавляющее большинство альбомов, закодированных SQ, были смикшированы либо с помощью позиционного кодировщика, либо с помощью кодировщика вперед.

Гентский микрофон

Кроме того, CBS создала SQ Ghent Microphone, пространственную микрофонную систему, использующую микрофон Neumann QM-69. Сигналы от QM-69 были разнесены, а затем преобразованы по фазе в 2-канальный SQ. ^{[ 5 ]} С помощью микрофона Гента SQ был преобразован из матрицы в ядро, и можно было получить дополнительный сигнал для обеспечения производительности N:3:4.

Универсальный SQ

В 1976 году Бен Бауэр объединил матричные и дискретные системы в USQ или Universal SQ. Это была иерархическая дискретная матрица 4-4-4, в которой матрица SQ использовалась в качестве основной полосы для дискретных квадрофонических FM- трансляций с использованием дополнительных разностных сигналов, называемых «T» и «Q». Для FM-трансляции USQ дополнительная модуляция «T» была размещена на частоте 38 кГц в квадратуре стандартного стереоразностного сигнала, а модуляция «Q» была размещена на несущей на частоте 76 кГц. Для стандартных двухканальных трансляций SQ Matrix CBS рекомендовала разместить дополнительный пилот-тон на частоте 19 кГц в квадратуре к обычному пилот-тону, чтобы указать сигналы, закодированные SQ, и активировать логический декодер слушателей.

CBS утверждала, что систему SQ следует выбрать в качестве стандарта для квадрофонического FM, поскольку в тестах FCC на прослушивание различных предложений четырехканального вещания система SQ 4:2:4, декодированная с помощью декодера CBS Paramatrix, превзошла 4:3: 4 (без логики), а также все другие протестированные системы 4:2:4 (с логикой), приближаясь к производительности дискретной мастер-ленты с очень небольшим отрывом. ^{[ 6 ]} В то же время «сложение» SQ в стерео и моно было предпочтительнее, чем «сложение» стерео и моно в 4:4:4, 4:3:4 и всех других системах кодирования 4:2:4.

Декодер Тейта DES

Система направленного улучшения, также известная как Tate DES, представляла собой усовершенствованный декодер, улучшавший направленность базовой матрицы SQ.

Сначала он сформировал матрицу четырех выходов декодера SQ для получения дополнительных сигналов, затем сравнил их огибающие, чтобы определить преобладающее направление и степень доминирования. Секция процессора, реализованная вне микросхем Tate IC, применяла переменное время атаки/затухания к управляющим сигналам и определяла коэффициенты матриц «B» (Blend), необходимые для улучшения направленности. На них воздействовали настоящие аналоговые умножители в микросхемах матричного умножителя, чтобы умножить входную матрицу на матрицы «B» и получить выходные данные, в которых направленность всех преобладающих звуков была улучшена.

Поскольку ДЭС мог признать все три направления Энергосферы ^{[ нужны разъяснения ]} одновременно и усиливая разделение, он имел очень открытый и «дискретный» ^{[ нужны разъяснения ]} звучащее звуковое поле.

Кроме того, улучшение было выполнено с достаточной дополнительной сложностью, чтобы все недоминантные звуки сохранялись на должном уровне.

Dolby использовала микросхемы Tate DES в своих процессорах для кинотеатров примерно до 1986 года, когда они разработали систему Pro Logic. К сожалению, из-за задержек и проблем микросхемы Tate DES не появлялись на рынке до конца 1970-х годов, и когда-либо было выпущено только два потребительских декодера, в которых они использовались: Audionics Space & Image Composer и Fosgate Tate II 101A. В Fosgate использовалась более быстрая и обновленная версия микросхемы, названная Tate II, и дополнительная схема, которая обеспечивала улучшение разделения по всему звуковому полю на 360 градусов. В отличие от более ранних декодеров Full Wave-согласования Logic для SQ, которые изменяли выходные уровни для улучшения направленности, Tate DES подавлял перекрестные помехи SQ-сигнала в зависимости от преобладающей направленности, сохраняя недоминирующие звуки и реверберацию в соответствующих пространственных положениях на своих местах. правильный уровень.

Матрица QS, «Обычная матрица», «Квадрафонический звук» (4:2:4)

Матрица	Левый передний	Правый передний	Левый защитник	Правый защитник
Осталось всего	0.92	0.38	j0.92	j0.38
Правильный итог	0.38	0.92	к0,38	к0,92

$j=+90^{\circ }$ фазовый сдвиг, $k=-90^{\circ }$ фазовый сдвиг

Матрица Н (4:2:4)

Матрица H Матрица ^{[ 7 ]}	Левый передний	Правый передний	Левый защитник	Правый защитник
Осталось всего	-j0.94	-10,34	+к0,94	+m0.34
Правильный итог	+10,34	+j0,94	-m0.34	-к0,94

j = фазовый сдвиг 20° k = фазовый сдвиг 25° l = фазовый сдвиг 55° m = фазовый сдвиг 115°

Ядро Ambisonic UHJ (3:2:4 или более)

Матрица	W (сигнал давления)	X (сигнал вперед-назад)	Y (сигнал влево-вправо)
Осталось всего	0,470 + к0,171	0,093 + j0,255	+0.328
Правильный итог	0,470 + j0,171	0,093 + к0,255	-0.328

$j=+90^{\circ }$ фазовый сдвиг, $k=-90^{\circ }$ фазовый сдвиг

Dolby Stereo и Dolby Surround (матричный) 4:2:4

Dolby Stereo и Dolby Surround также известны как Dolby MP, Dolby SVA и Pro Logic .

Матрица Dolby SVA — это оригинальное название матрицы кодирования Dolby Stereo 4:2:4.

Термин «Dolby Surround» относится как к кодированию, так и к декодированию в домашних условиях, тогда как в кинотеатре он известен как «Dolby Stereo», «Matrix Dolby Motion Picture» или «Dolby MP». «Pro Logic» относится к используемому декодеру, специальной матрицы кодирования Pro Logic не существует.

Система Ultra Stereo , разработанная другой компанией, совместима и использует матрицы, аналогичные Dolby Stereo.

Стереоматрица Dolby проста: четыре исходных канала: левый (L), центральный (C), правый (R) и объемный звук (S) объединяются в два, известные как левый-общий (LT) и правый-общий. (RT) по этой формуле:

Dolby Стерео Микс	Левый	Верно	Центр	Объемное звучание
Осталось всего	$1$	$0$	${\frac {1}{\sqrt {2}}}$	$+j{\frac {1}{\sqrt {2}}}$
Правильный итог	$0$	$1$	${\frac {1}{\sqrt {2}}}$	$-j{\frac {1}{\sqrt {2}}}$

где j = сдвиг фазы на 90°

Информация центрального канала передается как LT, так и RT в фазе, а информация объемного канала - как LT, так и RT, но в противофазе. Канал объемного звучания представляет собой один ограниченный частотный диапазон ( с фильтром нижних частот 7 кГц). ^{[ 8 ]}) моно тыловой канал, динамически сжатый и размещенный с меньшей громкостью, чем остальные. Это позволяет лучше разделить сигналы.

Это обеспечивает хорошую совместимость как с монофоническим воспроизведением, при котором L, C и R воспроизводятся из монодинамика с уровнем C на 3 дБ выше, чем L или R, но информация объемного звучания нейтрализуется. Это также обеспечивает хорошую совместимость с двухканальным стереовоспроизведением, где C воспроизводится как из левого, так и из правого динамиков, образуя фантомный центр, а объемное звучание воспроизводится из обоих динамиков, но диффузно.

Простой 4-канальный декодер может просто отправить суммарный сигнал (L+R) на центральный динамик, а разностный сигнал (LR) на тыловые. Но такой декодер будет обеспечивать плохое разделение между соседними каналами громкоговорителей, поэтому все, что предназначено для центрального громкоговорителя, также будет воспроизводиться из левого и правого громкоговорителей всего на 3 дБ ниже уровня центрального громкоговорителя. Точно так же все, что предназначено для левого динамика, будет воспроизводиться как из центрального динамика, так и из динамиков объемного звучания, опять же всего на 3 дБ ниже уровня в левом динамике. Однако существует полное разделение между левым и правым, а также между центральным и тыловым каналами.

Чтобы преодолеть эту проблему, кинодекодер использует так называемую «логическую» схему для улучшения разделения. Логическая схема решает, какой канал динамика имеет самый высокий уровень сигнала, и отдает ему приоритет, ослабляя сигналы, подаваемые на соседние каналы. Поскольку противоположные каналы уже полностью разделены, нет необходимости их ослаблять, по сути, декодер переключается между приоритетами L и R и приоритетами C и S. Это накладывает некоторые ограничения на микширование для Dolby Stereo, и чтобы обеспечить правильное микширование звуковых дорожек, звукомикшеры должны контролировать звуковой микс через кодер и декодер Dolby Stereo в тандеме. В дополнение к логической схеме канал объемного звучания также подается через задержку, регулируемую до 100 мс в зависимости от аудитории разного размера, чтобы гарантировать, что любая утечка программного материала, предназначенного для левого или правого динамика, в канал объемного звучания всегда будет услышана в первую очередь. от предполагаемого говорящего. При этом используется « эффект приоритета » для локализации звука в нужном направлении.

Матрица Dolby Pro Logic II (5:2:5)

Матрица	Левый	Верно	Центр	Задний левый	Задний правый
Осталось всего	$1$	$0$	${\sqrt {\frac {1}{2}}}$	$j{\frac {\sqrt {3}}{2}}$	$j{\frac {1}{2}}$
Правильный итог	$0$	$1$	${\sqrt {\frac {1}{2}}}$	$k{\frac {1}{2}}$	$k{\frac {\sqrt {3}}{2}}$

$j=+90^{\circ }$ фазовый сдвиг, $k=-90^{\circ }$ фазовый сдвиг

Матрица Pro Logic II обеспечивает полночастотные стереофонические тыловые каналы. Обычно канал сабвуфера управляется путем простой фильтрации и перенаправления существующих басовых частот исходной стереодорожки.

См. также

Ссылки

^ Фельдман, Леонард (1973). Четырехканальный звук (1-е изд.). Индианаполис, Индиана: Howard W. Sams & C. Inc., стр. 49–51. ISBN 0-672-20966-7 .
^ Перейти обратно: ^а ^б Паттерсон, Таб. «Кодирование SQ в домашних условиях» . Проверено 13 августа 2018 г.
^ Фельдман, Леонард (1973). Четырехканальный звук (1-е изд.). Индианаполис, Индиана: Howard W. Sams & C. Inc., стр. 44–49. ISBN 0-672-20966-7 .
^ Герзон, Майкл (8 декабря 1977 г.). «Не говори квадроцикл — скажи психоакустика». Новый учёный . стр. 634–636. Прямоориентированный кодер является одним из как минимум шести различных вариантов кодирования, предлагаемых SQ, чтобы производители могли сами решить, какой набор ошибок они предпочитают.
^ Бауэр, Бенджамин Б.; Луи А. Аббаньяро; Дэниел В. Граверо; Тревор Дж. Маршалл (январь – февраль 1978 г.). «Гентская микрофонная система для квадрафонической записи и вещания SQ». Журнал Общества аудиоинженеров . 26 (1/2). АЕС : 2–11.
^ «Субъективная оценка систем квадрофонического воспроизведения FM – тесты на прослушивание» Федеральная комиссия по связи, Управление главного инженера, лабораторный отдел, Лорел, Мэриленд. Проект № 2710-1, август 1977 г.
^ PS Гаскелл; П. А. Рэтлифф (февраль 1977 г.). «КВАДРАФОНИЯ: разработки в области декодирования матрицы H» (PDF) . Исследовательский отдел, Инженерный отдел. Би-би-си . Би-би-си РД 1977/2. Архивировано (PDF) оригинала 2 октября 2009 г. Проверено 13 августа 2018 г.
^ «Принципы работы декодера Dolby Surround Pro Logic II» (PDF) . Лаборатории Долби . Архивировано из оригинала (PDF) 28 января 2012 г. Проверено 4 декабря 2009 г.

[1] Фельдман, Леонард (1973). Четырехканальный звук (1-е изд.). Индианаполис, Индиана: Howard W. Sams & C. Inc., стр. 49–51. ISBN 0-672-20966-7 .

[4channelsound.com-2] Перейти обратно: ^а ^б Паттерсон, Таб. «Кодирование SQ в домашних условиях» . Проверено 13 августа 2018 г.

[3] Фельдман, Леонард (1973). Четырехканальный звук (1-е изд.). Индианаполис, Индиана: Howard W. Sams & C. Inc., стр. 44–49. ISBN 0-672-20966-7 .

[NewScientist-4] Герзон, Майкл (8 декабря 1977 г.). «Не говори квадроцикл — скажи психоакустика». Новый учёный . стр. 634–636. Прямоориентированный кодер является одним из как минимум шести различных вариантов кодирования, предлагаемых SQ, чтобы производители могли сами решить, какой набор ошибок они предпочитают.

[5] Бауэр, Бенджамин Б.; Луи А. Аббаньяро; Дэниел В. Граверо; Тревор Дж. Маршалл (январь – февраль 1978 г.). «Гентская микрофонная система для квадрафонической записи и вещания SQ». Журнал Общества аудиоинженеров . 26 (1/2). АЕС : 2–11.

[6] «Субъективная оценка систем квадрофонического воспроизведения FM – тесты на прослушивание» Федеральная комиссия по связи, Управление главного инженера, лабораторный отдел, Лорел, Мэриленд. Проект № 2710-1, август 1977 г.

[7] PS Гаскелл; П. А. Рэтлифф (февраль 1977 г.). «КВАДРАФОНИЯ: разработки в области декодирования матрицы H» (PDF) . Исследовательский отдел, Инженерный отдел. Би-би-си . Би-би-си РД 1977/2. Архивировано (PDF) оригинала 2 октября 2009 г. Проверено 13 августа 2018 г.

[8] «Принципы работы декодера Dolby Surround Pro Logic II» (PDF) . Лаборатории Долби . Архивировано из оригинала (PDF) 28 января 2012 г. Проверено 4 декабря 2009 г.

[ 1 ]

[ 2 ]

[ 3 ]

[ 4 ]

[ 5 ]

[ 6 ]

[ 7 ]

[ 8 ]

v т и Квадрафонический звук
Discrete (4:4:4) formats	Q4 (1969) Quad-8 (1970) CD-4 (1972) UD-4 (1973)
Matrix (4:2:4) formats	Stereo-4 (1970) DY (1971) SQ (1971) QS (1971) Matrix H (1977)
Derived (2:2:4) formats	Hafler circuit (1969) DY (1969)
Concepts	Quadraphonic sound Matrix decoder Precedence effect Four-channel Compact Disc Digital Audio