Die verschiedenen Dolby Surround-Sound-Verfahren: Überblick, Analyse und Funktionsweise

Gliederung

1. Definition des Begriffes „Surround-Sound“

2. Der Sinn von Surround-Sound
2.1. Ortung von Schallquellen beim Menschen
2.2. Verbreiterung der Stereoabhörzone
2.3. Cocktailpartyeffekt

3. Die verschiedenen Surround-Verfahren, Techniken und Standards
3.1. Vorläufer
3.2. Dolby Stereo
3.3. Dolby Surround
3.4. Dolby Surround Pro Logic
3.5. Dolby Surround Pro Logic II
3.6. Dolby Digital
3.7. Dolby Digital Surround EX
3.8. Dolby Digital EX
3.9. Dolby E
3.10. Konkurrenzprodukte
3.10.1. DTS
3.10.2. SDDS
3.10.3. LPCM
3.11. Der THX-Standard

4. Voraussetzungen für Surround im Studio

5. Codierung und Decodierung eines analogen Surroundsignals
5.1. Codierung
5.2. Decodierung am Beispiel eines Pro Logic – Decoders

6. Codierung und Decodierung eines digitalen Surroundsignals
6.1. Codierung
6.1.1. Der AC3 - Codec
6.2. Decodierung

7. Ausblick

8. Quellenverzeichnis

Die verschiedenen Dolby Surround-Sound-Verfahren:

Überblick, Analyse und Funktionsweise

1. Definition des Begriffes „Surround-Sound”

Von Surround^[1] -Sound spricht man in der Regel dann, wenn der von den Lautsprechern einer Anlage produzierte Klang den Raum derart erfüllt, dass beim Hörer der Eindruck entsteht, er sei von Schallquellen umgeben .

Allerdings wird der Begriff “Surround-Sound” von vielen Herstellern recht großzügig verwendet: So werden selbst Zwei-Lautsprecher-Systeme mit sogenannten Spatialializer - und Virtual Surround – Funktionen als surroundfähig beworben.

Dennoch kann von echtem Surround erst die Rede sein, sobald technisch die Möglichkeit gegeben ist, neben den beiden vorderen Stereokanälen und gegebenenfalls einem Centerkanal auch hinter dem Hörer durch einen oder mehrere sogenannte Surroundkanäle Klänge zu erzeugen.

2. Der Sinn von Surround-Sound

2.1. Ortung von Schallquellen beim Menschen

Das räumliche Hören entsteht durch Intensitäts- und Laufzeitunterschiede des Schalls von der Quelle zu den Ohren. Damit lässt sich der Winkel, in dem sich die Schallquelle zum Hörer befindet, sehr genau bestimmen. Intensitätsunterschiede einer Schallquelle lassen sich sehr einfach durch eine Rechts/Links-Ortung darstellen: Befindet sich die Schallquelle näher am linken Ohr, ist dort die Intensität des Geräusches und damit das subjektive Schallpegelempfinden höher als am rechten Ohr. Wir stufen die Quelle dann als "weiter links" ein. Dieser Effekt lässt sich sehr einfach an der heimischen Stereoanlage mittels des Balancereglers nachempfinden. Durch die Veränderung der Balance von rechts nach links scheint die Phantomschalquelle zwischen den Boxen zu wandern.

Die Zeitdifferenz, die zwischen dem Eintreffen des Signals am linken und am rechten Ohr vergeht, ist ein weiteres wichtiges Ortungskriterium. Während für die Richtungswahrnehmung nur Direktschall und die ersten reflektierten Wellenfronten ausschlaggebend sind, liefern Reflexionen höherer Ordnung (Nachhall) Informationen über die Charakteristik des Raumes, in dem sich die Schallquelle befindet.

Die Intensitätsunterschiede des Schalls helfen auch mit, die Tiefeninformation zu transportieren: Wird eine Schallquelle sowohl für das rechte als auch für das linke Ohr gleichmäßig leiser, scheint sie sich gerade von uns wegzubewegen. Anhand dieser Kriterien ist jedoch nur eine unvollständige Lokalisation möglich.

Kommt noch ein Hallanteil hinzu, ist die räumliche Tiefe geradezu perfekt auszuloten. Unterschiedliche Raumformen und Materialien spielen eine große Rolle, da so unterschiedliche Effekt auftreten. Die Dämpfung bestimmter Frequenzen im Hallanteil und die Nachhallzeit sind deshalb ein wichtiger Faktor bei der Lokalisation einer Schallquelle in der Tiefe eines Raumes.

Mit Einführung von Stereoklang wurde es daher möglich, die Illusion einer Schallquelle an einem beliebigen Punkt zwischen dem linken und rechten Lautsprecher zu erzeugen. Diese – eindimensionale - Linie wurde durch die sukzessive Einführung weiterer ansteuerbarer Schallquellen hinter dem Zuschauer derart erweitert, dass die Phantomschallquelle schließlich im gesamten Feld von 360° um den Zuschauer herum positioniert werden konnte

2.2. Verbreiterung der Stereoabhörzone

Insbesondere in Lichttheatern ist es unumgänglich, dass sich ein Teil der Besucher näher am rechten oder linken Rand des Kinosaales befindet, wodurch bei normalem Stereoklang das Klangbild verfälscht wird. Hierbei kommt dem Centerspeaker eine wichtige Rolle zu, da dieser es erlaubt, die Phantomschallquelle in der Mitte „festzunageln“ und auch den weiter seitlich sitzenden Zuschauern das Klangbild so zu präsentieren, wie es vom Regisseur beabsichtigt wurde.

Mit der Einführung eines Rear-Centerspeakers im Dolby Digital Surround EX Verfahren bzw. eines Left und Right Centerspeakers im Sony SDDS-Achtkanalverfahren wird dieser Ansatz konsequent weitergeführt.

2.3. Cocktailpartyeffekt

Neben der verbesserten Ortung der Klangquellen und der Verbreiterung der Stereoabhörzone ist der dritte große Vorteil von Surround-Sound der, dass zusätzliche, separate Schallquellen das gezielte Heraushören einzelner Klänge durch Korrelationsvorgänge^[2] im Gehirn erleichtern und das Klangbild „transparenter“ wird. Am deutlichsten wird dieser Unterschied beim Vergleich eines Mono- mit einem Stereosignal. Insofern liegt es nahe, dass mit zunehmender Zahl an separat angesteuerten Lautsprechern auch diese Transparenz des Klangbildes weiter wächst.

3. Die verschiedenen Surround-Verfahren und ihre technische Entwicklung

3.1. Vorläufer

In den Anfängen der Stereofonie Ende der 50er Jahre ging man davon aus, dass sich das Prinzip der "zwei Ohren" komplett umkehren lasse, dass also mittels zweier Lautsprecher die komplette Rauminformationen naturgetreu wiedergegeben werden kann.

Mit der Stereotechnik lassen sich Tiefeninformationen jedoch nur äußerst rudimentär wiedergeben, da Lautsprecher keine ideale physikalische Quelle sind: Sie produzieren frequenzabhängige Phasenverschiebungen^[3] und Sekundärreflexionen^[4], die das Ohr irritieren. Daher kam es in den 70er Jahren zu den ersten kommerziellen Quadrofonie-Systemen^[5], welche sich jedoch mangels Kompatibilität zu den damals gängigen Medien (Schallplatten, Radio) und Abspielsystemen im Heimbereich nicht durchsetzen konnten. Grund hierfür war das Problem, die zusätzlichen zwei Tonspuren auf den gebräuchlichen Tonträgern zu speichern und wiederzugeben.

In Kinos erfolgte die Speicherung der verschiedenen Tonkanäle auf zusätzlichen Magnetstreifen, die an den Seiten des Filmstreifens angebracht waren.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

3.2. Dolby Stereo

1976 führten die Dolby Laboratories ein neues Tonsystem namens Dolby Stereo ein, das vornehmlich für den 35mm Kinofilm gedacht war. Im Gegensatz zu den teuren Magnetstreifenaufzeichnungen der vorhergehenden Tonsysteme wurde der Dolby Stereo Ton optisch auf das Filmmaterial aufgebracht. Diese zwei Spuren waren lange Zeit ausreichend, um auch den durch Dolby Surround etablierten Mehrkanalton mit hoher Qualität auf Kinofilmen zu speichern und auszulesen.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

3.3. Dolby Surround

Der nächste Schritt auf dem Weg zum Raumklang wurde durch Dolby Surround eingeläutet, als mit immer größerer Verbreitung von Videorecordern in den 80er Jahren im Heimvideobereich die analoge und anfänglich dreikanalige Codierung von Videosound stetig an Bedeutung gewann.

Im Gegensatz zur Quadrofonie verwendet Dolby Surround das Kanalcodierungsschema Rechts - Links - Surround^[6]. Surround enthält das kombinierte Signal hinten links und rechts. Der Surround-Kanal wird phasenverschoben in die beiden vorderen Kanäle codiert.^[7] Dies hat den Vorteil, dass man nur zwei Kanäle übertragen muss und mit einem normalen Stereoverstärker eine gute Stereowiedergabe erzielen kann. Mit einem analogen Dolby Surround Decoder kann das Surroundsignal extrahiert und ein Raumklang erzeugt werden.

Dieser Prozess, in dem man mehrere Ausgangskanäle aus einem zweikanaligen Medium gewinnt, heißt Matrix-Surround-Decodierung und war bereits viele Jahre vor Einführung des Dolby Surround Pro Logic – Formates bekannt.

Der Nachteil ist, dass sich die codierte Information nicht wieder vollständig rekonstruieren lässt. Um diese "Fehler" zu kaschieren, ist das Surroundsignal in den Höhen gedämpft. Da das menschliche Ohr Geräusche mit steigender Frequenz besser orten kann, werden durch die fehlenden hohen Anteile die Unzulänglichkeiten nicht so stark wahrgenommen. Eine leicht verzögerte Wiedergabe des rückwärtigen Signals verstärkt den Raumeindruck zusätzlich.

3.4. Dolby Surround Pro Logic

Bei diesem 1987 eingeführten Verfahren werden auf ein gewöhnliches analoges Stereosignal weitere zwei Kanäle aufmoduliert, so dass der linke und rechte Stereokanal um einen Centerkanal und einen hinter dem Hörer positionierten Surroundkanal ergänzt werden:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Der große Vorteil besteht neben der Abwärtskompatibilität darin, dass trotz einer Verdoppelung der Kanalzahl von 2 auf 4 nicht mehr Übertragungskapazität benötigt wird und das Signal bis zu seiner Decodierung wie ein gewöhnliches Stereosignal behandelt und verarbeitet werden kann.

Daher ist die Bedeutung von Dolby Surround Pro Logic vor allem in analogen Bereich nach wie vor sehr groß.

Der Nachteil liegt darin, dass zwischen den einzelnen Kanälen ein Übersprechen stattfindet, sobald sie von der analogen Technik nicht mehr sauber getrennt werden können.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

3.5. Dolby Surround Pro Logic II

Dieses ebenfalls auf Matrix-Surround-Decodierung basierende analoge Verfahren ist als Weiterentwicklung des Dolby Surround Pro Logic – Verfahrens vor allem für die Bereiche interessant, in denen keine digitalen Audioinformationen zur Verfügung stehen, wie z.B. im Auto (Autoradio) oder im Homeentertainmentbereich (z.B. verfügen alle heute gängigen Spielekonsolen lediglich über einen analogen Stereoausgang). Neben der ausgefeilteren Technik, die noch höhere Trennschärfen zwischen den einzelnen Kanälen sowie technische „Spielereien“ (Panoramamodus, Dimension Control, Center Width Control) ermöglicht, ist der zweite Surroundkanal die wohl wichtigste Neuerung bei diesem Format. Während bei Pro Logic die Bandbreite des Surroundkanals auf 7 kHz begrenzt ist, kann sie zudem bei Pro Logic 2 beliebig groß werden.

Ansonsten ist die Decoder-Struktur von Pro Logic II im Kern identisch mit der von Pro Logic.

3.6. Dolby digital („5.1“ / „AC3”)

Da dieses Verfahren ebenfalls die bereits etablierte 3/2 – Lautsprecherkonfiguration nutzt, scheint es auf den ersten Blick dem Dolby Surround Pro Logic Verfahren zu ähneln.

Die Ähnlichkeiten sind jedoch nur äußerlich:

Hauptunterschied ist, dass Dolby Digital – wie der Name schon sagt – digital arbeitet.

Dies ermöglicht unter anderem eine diskrete (vollständige) Trennung der vorhandenen Kanäle, wodurch ein Übersprechen der Kanäle komplett verhindert wird.

Anstelle eines gibt es bei Dolby Digital zwei Surroundkanäle.

Ein weiterer neuer Kanal ist der durch das „.1“ angedeutete LFE-Channel^[8]

Dieses Signal kann an einen zusätzlichen Subwoofer angeschlossen werden, der das Bassfundament unterstützt. Der Unterschied zu einer gewöhnlichen Frequenzweiche in einem Subwoofer besteht darin, dass der LFE zusätzliche Informationen vor allem für extrem tiefe Basseffekte transportiert. Diese Effekte sind in den restlichen Kanälen nicht vorhanden, da sie beispielsweise die in Kinos vorhanden Lautsprechersysteme überlasten könnten; sie werden also über konventionelle Systeme gar nicht reproduziert.

Natürlich wird der Subwoofer weiterhin im klassischen Sinne zur Entlastung der restlichen Lautsprecher verwendet, indem ihm je nach Konfiguration der Anlage die Wiedergabe der tieffrequenten Signale bis zu einer gewissen Grenze übertragen wird. Dies ist möglich, da tieffrequente Signale aufgrund ihrer mangelnden Positionierbarkeit nicht zur Ortbarkeit beitragen.

Weil die Datenrate von sechs diskreten Kanälen zunächst extrem hoch ist, kommt ein nach dem psychoakustischen Modell arbeitendendes Bitreduktionsverfahren zum Einsatz, welches Teil des bei der Codierung eingesetzten AC3-Codecs ist. Dieses Verfahren ermöglicht es, ohne für den Hörer wahrnehmbare Verluste die Datenrate und das Datenvolumen für Klanginformationen so weit zu reduzieren, dass Dolby Digital Ton z.B. im digitalen Fernsehen (DVB^[9] ) übertragen werden kann, ohne dass hierfür übermäßig viel Sendekapazität zur Verfügung stehen muss.

In jedem Fall muss, um in den Genuss von Dolby Digital zu kommen, das eingespeiste Signal in digitaler Form vorliegen (DVB, DAB^[10], DVD^[11]...). Es besteht jedoch die Möglichkeit, ein Stereosignal zu extrahieren, so dass Kompatibilität zu bestehenden Stereosystemen ermöglicht wird.

Die technischen Eckdaten für das Dolby-Digital-Format sind die Folgenden: Die Hauptkanäle können in einem Frequenzumfang von 3 Hz bis 20 kHz codiert werden und für den Sub-Kanal stehen 3 Hz bis 120 Hz zur Verfügung. Üblich sind Abtastfrequenzen von 44,1 kHz oder 48 kHz. Beide werden von gängigen Decodern unterstützt. Heute ist das Tonformat der De-facto-Standard der DVD.

Hin und wieder wird man auch mit den Bezeichnungen „6.1“ oder „7.1“ konfrontiert. Hierbei ist von Konfigurationen mit 3 bzw. 4 rückwärtigen Lautsprechern die Rede.

Im professionellen Kinobereich heißt das Verfahren Dolby Surround Digital, welches auf eine größere Anzahl von Surround-Lautsprechern zugreift, ohne dabei jedoch mehr Kanalinformationen zu bieten.

[...]

^[1] (engl. für : umgeben, umzingeln, umstellen)

^[2] Korrelation bedeutet: (hier: zwei) Signale werden miteinander kombiniert, um daraus bestimmte Schlüsse abzuleiten

^[3] Verzögerung einer Welle gegenüber einer Referenzwelle

^[4] Schallwellen, die mehrmals reflektiert werden, beispielsweise an einem zusätzlichen Objekt in einem Raum.

^[5] Vierkanaltechnik aus dem HiFi-Bereich, in der alle vier Kanäle separat aufgenommen und wiedergegeben werden.

^[6] Der Surroundkanal befindet stets sich hinter dem Zuhörer

^[7] siehe auch “Codierung und Decodierung eines analogen Surroundsignals“ weiter unten

^[8] Low Frequency Effects Channel

^[9] steht für „Digital Video Broadcasting“

^[10] steht für „Digital Audio Broadcasting“

^[11] steht für „Digital Versatile Disc“