tonstudiotechnik 1 surround verfahren surround encoder 
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technische hintergründe tonstudiotechnik 1 surround verfahren surround encoder |
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Der Nachteil dieses Verfahrens ist, daß der Encodier-Decodier-Prozess erheblich verlustbehaftet ist. Bei der Produktion ist es daher unerläßlich, daß man hinter dem Encoder und Decoder abhört, wenn man nicht böse Überraschungen erleben möchte.
Während die Decodereinheiten durchaus gängig sind (weil billig zu erwerben), muß für die Encodereinheiten aufgrund der diversen Schutzrechte von Dolby ganz erheblich investiert werden. Das Experimentieren mit dem Verfahren wird dadurch massiv erschwert. Das bewog mich, zu überlegen, ob man einen Encoder nicht preiswert realisieren kann. Das Ergebnis ist die folgende Schaltung. Sie beschreibt die Technik eines Surround-Sound-Encoders im Detail.
Die Schaltung ist vollständig analog aufgebaut, es kommen nur Standardbauteile zum Einsatz. Den Aufbau über Software habe ich verworfen, weil die Schaltung echtzeittauglich und auch außerhalb eines Computers laufen sollte. Diese Schaltung ist allerdings von mir nicht praktisch realisiert, sondern nur simuliert worden (mit dem Simulationsprogramm electonic workbench 5.0, ein Mixed-Mode Simulationsprogramm, das auf einen Spice-Kern basiert). D.h. es ist wahrscheinlich, daß die Schaltung funktioniert, aber nicht sicher. Deshalb existiert auch leider (noch) keine Platine. Sie wird vielleicht nachgeliefert. Sollte jemand die Schaltung praktisch umsetzen, wäre ich ihm dankbar, wenn er mir den Platinenentwurf zukommen ließe (mail an mich).
Sollte jemand diese Schaltung nachbauen, weise ich ausdrücklich darauf hin, daß ich die Schaltung zwar nach bestem Wissen entworfen habe, sie aber weder testete noch 100% sicher bin, daß sie exakt den original Dolby-Encodern enstpricht. Außerdem müssen für den praktischen Einsatz dieses Encoders natürlich alle Schutzrechte von Dolby beachtet werden.
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| Bild 1: Das Blockschaltbild eines Surround-Encoders. |
Bild 1 zeigt ein Blochschaltbild eines Surroundencoders, wie es Dolby in seinen Informationsschriften veröffentlicht (vergl. www.dolby.com). Das Encodieren des Centerkanals ist unspektakulär. Er wird mit einer Pegelreduktion von -3 db auf den linken und rechnten Kanal summiert. Der Surroundkanal hingegen wird weitergehend bearbeitet. Er wird
Ungewöhnlich ist vor allem die Aufsummierung mit der Phasendifferenz von +-90 Grad. Eine solche Phasenverschiebung ist nicht ohne weiteres zu realisieren. Unschön ist auch der Einsatz des modifizierten Dolby B Encoders. Es gibt zwar eine Menge integrierter Schaltkreise, die das komplette Dolby-Schaltung enthalten (z.B. Philips TEA0657 bzw. 678, Sony CXA 1550 und 1560 Serie), in den Datenblättern der Halbleiterhersteller findet sich leider immer der Hinweis, daß diese ICs nur an Kunden mit einer Dolby-Lizens verkauft werden. So bleibt einem nichts übrig, als diese Schaltung diskret aufzubauen. Dies ist aufwendig und bedingt (zumindest hier) einige Vereinfachungen.
Die 90 Grad Phasendrehung bereitet einiges Kopfzerbrechen, vor allem, wenn man das Blockschaltbild wörtlich nimmt. Nach dem Studium der Dolby-Patente (Dank an den IBM Patente Server!) sieht man die Sache gelassener. Denn
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| Bild 2: Korrigiertes Blockschaltbild des Surround-Encoders. |
Aus dem Blockschaltbild geht nun hervor, wie die Phasenverschiebung realisiert wird. Zusätzlich sind einige Elemente umgeordnet. Der modifizierte Dolby Encoder befindet sich vor allen anderen Bearbeitungsstufen, damit deren Rauschen nicht mit angehoben wird. Der Bandpass wird hinter den Phasenschieber angeordnet. Damit wird durch den Tiefpass auch das Rauschen aller vohergehender Stufen mit abgesenkt. Der Allpass erzeugt nur eine relative Phasenverschiebung von 90 Grad, die komplementäre für den anderen Kanal wird durch einen Inverter erzeugt. Die Pegelkorrektur von -3 db wird nun direkt vor der Summierung vollzogen.
 Bild 3: Der Allpassfilter für den linken bzw. rechten Kanal. |
 Bild 4: Der Phasengang des Allpassfilters (20hz - 20khz). |
Bild 5 zeigt den Allpassfilter für den Surroundkanal einschließlich des folgenden Bandpasses, und Bild 6 seinen Phasenverlauf. Der Allpassfilter für den Surroundkanal ist mit der Biquad-Schaltung und einem zusätzlichen Allpass 1. Ordnung realisiert. Letzterer ist für den reinen Allpassfilter nicht unbedingt nötig. Nutzlich ist er, die Phasenverschiebung zu linearisieren, die durch den nachfolgenden Tiefpassfilter hinzugefügt wird.
 Bild 5: Der Allpassfilter für den Surround-Kanal. |
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 Bild 6: Der Phasengang des Allpassfilters (20hz - 20khz). |
 Bild 7: Der relative Phasengang der beiden Allpassfilter im Bereich von 100hz - 7khz. |
Beachten Sie bitte die wesentlich genauere Auflösung des Diagramms für den relativen Phasengang (-45 bis -135 Grad). Der waagerechte Strich steht für exakt -90 Grad. Die Kurve variiert nur um wenige Grad um das Ideal. Nur im hohen Frequenzbereich ereicht die Abweichung etwas 5 Grad. Die Phasengänge der nachfolgenden Filter sind in diesem Diagramm schon berücksichtigt. Es bleibt noch anzumerken, daß die Phasenbeziehung außerhalb des interessanten Bereich sehr schnell den idealen Verlauf verläßt und ziemlich große Werte annimmt.
Bild 8 zeigt den Bandpassfilter. Es handelt sich dabei um annähernd Butterworthfilter 2. Ordnung. Die Werte wurden etwas variiert, auf Kosten der Filtercharakteristik, aber zugunsten eines besseren Phasenverlaufes.
 Bild 8: Der Bandpassfilter für das Surroundsignal. |
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Es stellt sich jedoch die Frage, ob nicht eine bessere Filterwirkung in der Praxis gegenüber einem optisch schöneren Phasenverlauf vorzuziehen ist. Aus diesem Grunde habe ich eine Alternative entwickelt, dessen Phasen und Frequenzgang in Bild 10 und 11 zu sehen ist. Man erkenn, daß vor allem im Bassbereich ein deutlich steilerer Filter zum Einsatz kommt. Allerdings verändert sich der Phasengang bei 100hz um 30 Grad und bei 7khz um 37 Grad. Der zugehörige Schaltplan befindet sich in der ZIP-Datei am Ende dieses Dokuments. |
 Bild 9: Der Filterverlauf der ursprünglichen Schaltung (100hz u. 7khz sind markiert). |
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 Bild 10: Der Filterverlauf der alternativen Schaltung (100hz u. 7khz sind markiert). |
 Bild 11: Der Phasengang der alternativen Schaltung im Bereich von 100hz - 7khz. |
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| Bild 12 zeigt den Invertierer und die beiden Summierer. Der Invertierer ist selbsterklärend. Die -3 db Pegelkorrektur wird dirket innerhalb des Summierers realisiert, indem für das Surroundsignal der Summierwiderstand entsprechend höhrer gesetzt wird. |  Bild 12: Inverter und Summierer. |
Für einen praktischen Aufbau muß beachtet werden, daß die Widerstandswerte durchweg sehr niedrig gewählt wurden. Deshalb müssen Opamps eingesetzt werden, die eine Ausgangsstufe besitzen, die für das Ansteuern von 600R Lasten gedacht sind. Außerdem ist die gesamte Schaltung gleichspannungsgekoppelt (außer am Eingang und Ausgang). Daher müssen Opamps mit geringem Offset benutzt oder an passender Stelle Koppelkondensatoren eingesetzt werden. Geeignete Opamps sind z.B. OPA27 oder OP285. Soll allerdings der NE 5532/34 benutzt werden, müssen an manchen Stellen wahrscheinlich Kondensatoren in den Signalweg eingesetzt werden. Nicht geeignet sind TL071, LF351 o.ä.
Die Bauteiletoleranzen sind übrigens an vielen Stellen ausgesprochen kritisch. D.h. schon geringe Abweichungen vom Soll-Wert können große Effekte auf die Funktion des Encoders haben. Da ich die Schaltung bisher nur simuliert habe, brauchte ich mich darum nicht zu kümmern. Für den praktischen Aufbau empfehle ich aber, insbesondere bei den Allpassfiltern, die Werte absolut exakt einzuhalten (gerade bei dem krummen 26nF Kondensator). Im Zweifelsfall müssen die Werte durch Parallel- oder Reihenschaltung garantiert werden.
Der komplette Schaltplan (exclusive des DolbyB-Encoders) befindet sich am Ende des Dokuments.
Laut Dolby wird in dem Surround-Encoder ein "modifizierter DolbyB Schaltkreis" eingesetzt. Über die Modifizierung wird nur die Angabe gemacht, daß der maximale Filterhub auf 5 db begrenzt ist (gegenüber 10 db bei der Originalschaltung). Da fertige Dolby B ICs leider nicht eingesetzt werden können (s.o.), wurde eine entsprechende Schaltung mit Hilfe eines dbx 2151 VCAs aufgebaut. Diese Schaltung enthält einige Vereinfachungen, die vor allem dadurch nötig wurden, daß ich nicht genug bzw. auch widersprüchliche Informationen über einen Dolby B Schaltkreis hatte. (Informationen zu Dolby B finden sich ind den Datenblättern der Sony IC-Serien Sony CXA 1550 und 1560 und natürlich bei Dolby. Auf dem IBM Patent Server findet man ein Patent für einen Dolby B Schaltkreis aus dem Jahre 1978, daß allerdings einige Abweichung von den Dolby-Veröffentlichungen aufweist!?!.)
Beim DolbyB System werden beim Encodiervorgang die Höhen in Abhängigkeit vom Pegel angehoben und beim Decodieren komplementär wieder absenkt. Alles Rauschen, was zwischen dem Encodier- und Decodiervorgang hinzukommt (z.B. Bandrauschen) wird durch die Pegelabsenkung beim Decodieren mit abgesenkt. Beim Encodieren bedeuten geringe Pegel im Höhenbereich eine größe Höhenanhebung und große Pegel eine geringe oder keine Höhenanhebung. Entsprechendes geschieht mit vertauschten Vorzeichem beim Decodieren.
Bild 13 zeigt die Filterverläufe eines DolbyB - Encoders, wie sie sich in den Publikationen von Dolby finden. Identische Graphiken finden sich auch in den Datenblättern zu den ICs von Sony und Phillips. Bild 11 zeigt den Frequenzgang des hier eingesetzten Filters besitzt.
 Bild 13: Der pegelabhängige Filterverlauf eines Dolby B Schaltkreises. |
 Bild 14: Der Frequenzgang des hier eingesetzten Filters. |
Ungewöhnlich ist der Buckel im Frequenzgang um 4 khz bei mittlerem Filterhub. Wahrscheinlich ist er an dieser Stelle plaziert, um in dem besonders empfindlichen Frequenzabschnitt des Ohrs zusätzliche Rauschunterdrückung zu liefern. Der Frequenzgang des hier eingesetzten Filters ist praktisch identisch zu dem des Dolby-Filters bei maximalem Filterhub. Es wurde sowohl darauf verzichtet, den Buckel bei ca. 4 khz nachzubilden als auch den Filterverlauf in irgendeiner Form pegelabhängig zu variieren. Diese Vereinfachung halte ich für weitgehend unproblematisch, zum einen, weil dieser Buckel bei dem eingeschränkten Frequenzbereich bis 7khz kaum ins Gewicht fallen würde und, zum anderen, zusätzlich die Reduzierung der Filterwirkung auf maximal 5 db diese Frequenzfeinheit ziemlich redundant erscheinen läßt. Außerdem gehen meines Wissen viele käufliche Surround-Decoder ziemlich frei mit dem entsprechenden Schaltungpunkt bei ihrer Decodierung um.
Die Pegelabhängigkeit der Filterwirkung ist ziemlich eindeutig aus dem Diagramm von Dolby abzulesen. Pro 10 db Pegelabsenkung werden 3.3 db Filterwirkung realisiert. Das entspricht einem Kompressor-Ratio von 3.3 zu 1. Spekulieren kann man nur, ob bei dem "modifizierten DolbyB-Schaltkreis" dieses Verhältnis eingehalten oder auf das Doppelte angehoben wird. Ich tendiere eher zu der ersten Meinung und habe dies in der Schaltung realisiert. Es ist jedoch kein Problem, diesen Punkt zu ändern.
Die Ansprech- und Abklingzeiten stellen das größte Problem dar, da ich keinerlei Informationen darüber besitze. Sollte jemand Informationen darüber besitzen, möge er sie bitte mir zukommen lassen (mail an mich). Ich werde sie dann in den Schalplan einarbeiten. Bislang bin ich recht pragmatisch vorgegangen. Da mir ein Schaltplan eines DolbyA Kompanders zur Verfügung stand, habe ich mich an den Integrationszeiten des 3. Bandes orientiert. Übernommen habe ich die Doppelweggleichrichtung, die Vorintegration und ungefähr die Werte der Integrationszeiten. Natürlich ist alles mit Opamps aufgebaut. Da der Vca eine lineare V/db Dampfungscharakteristik besitzt, mußte ich noch einen Logarithmierer einbauen.
 Bild 15: Der spannungsgesteuerte Höhenfilter. |
Das Eingangssignal wird direkt am Eingang aufgeteilt. Einmal geht es unbearbeitet über R in den Opamp IC2 und verläßt ihn, zwar invertiert, aber mit identischem Pegel. Zum anderen geht das Singal in den mit IC1 aufgebauten Hochpassfilter. Über R8 bzw. C1 kann sein Grenzgfrequenz variiert werden. Der Ausgang des Hochpassfilters gelangt einmal direkt, über R1, auf den invertierenden Eingang von IC2 und einmal über den Dbx Vca. Da der Vca invertiert, heben sich beide Signale am invertierenden Eingang des Opamps auf, solange der Vca keine Verstärkung oder Dämpfung aufweist. Verstärkt der Vca, wenn an seinem Steuereingang eine positive Spannung anliegt (5.9 mV/db), ergibt sich am Ausgang von IC2 eine Höhenabsenkung, da das Signal von dem Hochpassfilter von dem Originalsignal subtrahiert wird (der Vca invertiert!). Umgekehrt ergibt sich eine Höhenanhebung, wenn der Vca sein Signal dämpft. Das Signal vom Hochpassfilter addiert sich, entsprechend der Differenz zwischen dem Ausgangspegel von IC1 und Vca, dem Originalsignal hinzu.
 Bild 16: Die Auswertung für die Steuerspannung des VCAs. |
Da dieser Schaltungsteil pegelabhängig arbeitet, muß ein Referenzpegel gesetzt werden. Die Schaltung ist so aufgebaut, daß sie +4dbu (1.22V eff.) erwartet. Bei -10db (entspricht -6dbu (122mV eff) beginnt die Schaltung zu arbeiten. Bei -40db (entspricht -36dbu (12mV eff.) wird der maximale Filterhub erreicht.
Für den Abgleich muß zuerst die Referenzspannung des Logarithmierverstärkers gesetzt werden. Dazu wird der Trimmer 1 so eingestellt, daß am Meßpunkt +10 Volt Gleichspannung sind. Um den Arbeitspunkt richtig zu setzen, muß ein Signal von 5 khz 12mV eff. eingespeist werden. Trimmer 2 muß dann so eingestellt werden, daß am Ausgang von IC7 hinter der Diode D4 eine Spannung von 1.5V Gleichstrom zu messen ist. Damit ist der Abgleich beendet.
 Bild 17: Der Eingangsverstärker und der Summierer für das Center-Singals. |
Der Ausgangsverstärker ist für beide Kanäle identisch aufgebaut. Es handelt sich um einen Symmetrierverstärker mit automatischem Pegelausgleich für unsymmetrischen Betrieb. Es ist wichtig, daß Opamps mit geringen Offset eingesetzt werden, da sonst u.U. sich der Ausgang auf Betriebsspannung setzen kann. Die Elkos am Ausgang sind dann optional. Alle Widerstände müssen eine relative Toleranz von 1% oder besser besitzen. Der absolute Wert ist unkritisch. Gut ist es, ein Array einzusetzen.
 Bild 17: Der Ausgangsverstärker. |
Der komplette Schaltplan findet sich in dieser Zip-Datei als Gif-Bild. Ein zweites Gif-Bild einthält die alternative Version für den Bandpass- und Allpassfilter des Surround-Signals.
Die Schaltung ist nach bestem Wissen entwickelt worden. Sie ist allerdings nur simuliert, nie in der Praxis getestet worden. D.h. es kann nicht garantiert werden, daß sie fehlerfrei funktioniert. Auch kann ich nicht garantieren, daß sie 100%ig kompatibel zu den original Dolby-Encodern ist.
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Text und Layout: Cornelius Bradter