История и описание системы AC-3

Стерео: почему два, а не три или семь?

Сначала небольшой экскурс в историю многоканального звука. В первых экспериментах со стереозвучанием, которые в 30-е годы проводились в стенах Bell Labs, использовалось три канала. По всей видимости, выбор такого числа каналов был сделан достаточно произвольно — главное, что больше одного. Публика же смогла услышать стереозвук только в 50-х годах в кинотеатрах. За 20 лет разработчики так и не пришли к единому стандарту, и в звуковоспроизводящей аппаратуре использовалось от 4 до 7 каналов. Несколько лет спустя, когда стереозвук пришел практически в каждый дом, осталось только 2 канала. Дело в том, что грампластинка, самый распространенный по тем временам носитель, большего количества каналов вместить просто не могла. Именно технологические ограничения, а не предпочтения слушателей привели к закреплению двухканального стандарта домашнего стереозвучания. Между тем, кинематографисты, не стесненные технологическими рамками, продолжали развивать четырехканальную схему: левый, центральный, правый и тыловой каналы — вот необходимый минимум для создания реалистичного звукового поля.

Эта схема закрепилась в связи с принятием гигантами киноиндустрии на рубеже 80-х годов формата Dolby Stereo для 35-миллиметровых кинолент. В этом формате звуковая информация четырех каналов записывается на две оптические дорожки, а при воспроизведении декодируется с помощью специального звукового процессора. Следует отметить, что кроме этой системы существует еще несколько конкурентных форматов, но для перевода на бытовые носители используется в основном схема Dolby.

При переводе записанных с использованием Dolby Stereo фильмов в видеоформаты информация четырех каналов свертывается в два. В начале 80-х годов система Dolby Surround позволила декодировать эту информацию в домашних условиях — в обывательской традиции двухканального стереозвучания была пробита брешь. Из-за высокого реализма звукового поля аудиовизуальные системы, оснащенные Dolby Surround, получили название "Домашнего театра".

Бытовые системы с декодером Dolby Surround, а позднее Dolby Surround Pro Logic, конечно позволили более эффектно воспроизводить звуковое сопровождение кинофильмов, но до уровня кинотеатров они явно не дотягивали. В первую очередь из-за того, что на носителях четыре канала должны существовать в свернутом виде. Втиснутые в две звуковые дорожки каналы сильно связаны между собой, из-за чего происходят их взаимные утечки. Кроме того, тыловой канал пришлось еще и сильно ограничить по частотному диапазону. Выход был только в создании принципиально новой цифровой системы с полностью независимыми каналами. Но здесь на пути разработчиков встали не менее сложные проблемы, связанные с необходимостью записи, хранения и воспроизведения звуковой информации в цифровом виде.

Dolby Labs решает проблему

Вначале кратко о сути проблемы. Цифровое кодирование звука, используемое в формате Compact Disc (16-битовая импульсно-кодовая модуляция), позволяет получить динамический диапазон в 96 Дб. Это достигается выборкой 16-битовых слов для каждого канала с частотой 44,1 кГц и последующим суммированием данных для передачи или хранения.

В случае, когда число каналов больше двух, объем информации возрастает настолько, что при существующих технологиях записать или передать ее без потерь невозможно. Поэтому в первую очередь необходимо было разработать эффективный алгоритм цифрового кодирования звука, который бы максимально уменьшал или сжимал (а лучше и то, и другое) поток информации, сохраняя при этом близкое к исходному качество звучания. Системы, работающие по такому алгоритму, получили название "перцептуальных" (в данном случае термин "перцептуальный" следует понимать как "основанный на особенностях слухового восприятия").

Первый вариант новой системы, получившей название Dolby АС-1, был разработан в 1985 году для применения в цифровом спутниковом радиовещании (DBS) Австралийской радиовещательной корпорации. Во многом благодаря низкой цене декодера, АС-1 нашла применение и в других сервисных функциях DBS, спутниковых сетях связи и системах цифрового кабельного радиовещания. Скорость передачи информации составляет 220-325 кБ/с на каждый канал и зависит от назначения системы. Поток данных содержит информацию не об абсолютном уровне аудиосигнала, а только о его изменении от выборки к выборке — так называемая Адаптивная Дельта Модуляция (ADM).

Затем появилась Dolby АС-2: в ней используется улучшенный алгоритм цифрового кодирования. АС-2 предназначена для профессионального применения и используется для передачи данных между студиями звукозаписи в режиме реального времени. АС-2 также является "сердцем" системы Dolby DSTL, которая применяется для связи между радиостанциями. Скорость передачи данных — 128-192 кБ/с на каждый аудиоканал.

Dolby АС-3 — третья по счету перцептуальная система цифрового кодирования, разработанная Dolby Labs. Она основана на комбинации методов психоакустики с последними достижениями в области цифровой обработки звука. В ней получила дальнейшее развитие идея систем аналоговой перцептуальной обработки звука — Dolby Professional и бытовых систем шумоподавления. Результаты экспериментов Dolby Labs с системами шумоподавления легли в основу эффективного алгоритма сжатия данных: чем меньше бит используется для описания звукового сигнала, тем больше шум квантования и наоборот (шум квантования в цифровой системе возникает при кодировке из-за погрешности в определении реального уровня аналогового сигнала. Чем выше разрядность квантования, тем меньше оказывается погрешность и следовательно — шум).

Алгоритм АС-3 учитывает особенности психоакустического восприятия звука человеком. Весь спектр звукового сигнала каждого канала разделяется на несколько узких частотных полос различной ширины. Ширина полос оптимизирована с учетом различной чувствительности человеческого уха к звукам разной частоты. С учетом этого, а также Алгоритм АС-3 учитывает особенности психоакустического восприятия звука человеком. Весь спектр звукового сигнала каждого канала разделяется на несколько узких частотных полос различной ширины. Ширина полос оптимизирована с учетом различной чувствительности человеческого уха к звукам разной частоты. С учетом этого, а также с учетом спектрального состава и динамического диапазона фонограммы и распределяются данные между полосами.

"Зашитая" в процессор АС-3 модель человеческого восприятия звука позволяет ему так изменять частотную избирательность (насколько это позволяет временное разрешение), что объема данных, используемых для описания звукового сигнала в каждой полосе, по субъективным ощущениям достаточно для полного маскирования шума. Если сигнал не способен сам по себе замаскировать шум квантования, то он описывается большим числом бит, т.е. более подробно. Это позволяет уменьшить или даже полностью устранить шум квантования и сохранить тем самым оригинальное качество звука. С этой точки зрения система Dolby АС-3 является по существу разновидностью систем селективного шумоподавления (селективность заключается в различной обработке сигнала в разных частотных полосах. Наиболее известные селективные системы шумоподавления— Dolby С, Dolby S).

Аналогичным образом происходит распределение данных и между каналами: объем информации для каждого канала различен. Алгоритм таков, что большее количество данных выделяется для кодирования тех каналов, где в данный момент звук более "насыщен". При этом сильный звук в одном канале маскирует шум в других каналах. Другими словами, АС-3 для сокращения объема данных отбрасывает "несущественную" информацию или те элементы звукового сигнала, которые человеческое ухо не может распознать. Зависимость объема передаваемой информации для каждого канала от характера сигнала является важнейшей отличительной чертой АС-3 от других конкурирующих алгоритмов (Zeta, ATRAC и т.п.).

АС-3 в кинематографе

Использование систем, работающих по алгоритму АС-3, возможно практически во всех сферах, где требуется записать, передать и воспроизвести цифровую информацию. В первую очередь АС-3 было решено использовать в кинематографе. Этот алгоритм уже сейчас позволяет получать многоканальный цифровой звук с 35-миллиметровых кинолент. В целях сохранения аналоговых дорожек на ленте было решено разместить новую оптическую цифровую дорожку между перфорационными отверстиями. Это позволяет, соответственно, использовать киноленту в любых кинотеатрах, независимо от их оснащения аппаратурой с декодером АС-3.

Dolby Stereo Digital — звуковой формат, построенный на кодировке АС-3, — дебютировал в кинематографе в июне 1992 года, В течение последующих двух лет в новом формате было реализовано более 50 фильмов, и около 600 кинотеатров в 27 странах мира приобрели оборудование для считывания информации с цифровых дорожек кинолент. Киноленты с двумя звуковыми дорожками (цифровой и аналоговой) не требуют больших затрат при тиражировании и могут прокручиваться в любых кинотеатрах. Важный момент — цифровые дорожки в формате АС-3 практически не изнашиваются.

Успех и широкое распространение киноформата Dolby Stereo Digital послужило толчком к разработке бытовых форматов, основанных на АС-3.

АС-3 в "домашнем театре"

Бытовая версия Dolby Stereo Digital, также базирующаяся на АС-3, получила название Dolby Surround Digital. Как и кинематографический, бытовой формат обеспечивает получение независимых сигналов для левого, центрального и правого громкоговорителей во фронтальной плоскости, двух тыловых каналов и, по желанию слушателя, сабвуфера (такую схему еще называют "5.1").

В отличие от Dolby Surround Pro Logic, в котором тыловой канал частотно ограничен и работает в режиме моно (хотя обычно используются два громкоговорителя), Dolby Surround Digital имеет два независимых тыловых канала с таким же частотным диапазоном, как и фронтальные.

Но на этом возможности Dolby Surround Digital не исчерпываются. В отличие от кинотеатра, где прослушивание ведется, можно сказать, в идеальных условиях с полным комплектом громкоговорителей и со стандартным уровнем воспроизведения, в "домашнем театре" все несколько сложнее. Поэтому в домашнем варианте имеется возможность подстройки системы под конкретные условия прослушивания. Кроме того, новая аппаратура должна удовлетворять требованиям прямой и обратной совместимости. Например, пользователи, имеющие комплект аппаратуры с декодером Dolby Surround, должны иметь возможность прослушивать звуковое сопровождение и в этом формате.

Кратко требования к новой аппаратуре можно сформулировать следующим образом:

• Для предотвращения путаницы при определении формата записи звукового сопровождения при воспроизведении должны использоваться специальные данные, определяющие оригинальный формат программы: моно, стерео, матричный или дискретный surround.

• При цифровом кодировании оригинальной программы уровень громкости диалогов должен оставаться по субъективным ощущениям постоянным для различных источников.

• Декодеры многоканальных программ должны обеспечивать оптимальный для пользователя вид выходного сигнала. Например: матричный сигнал для аналогового Dolby Surround процессора, псевдостереофонический сигнал или моносигнал.

• При проигрывании программ с широким динамическим диапазоном, но с малой громкостью, таких как, например, звуковая дорожка к кинофильму, система должна обеспечивать возможность компрессии сигнала для сохранения самых тихих звуков. Степень компрессии может регулироваться.

• Слушатель может программировать процессор Dolby Surround Digital таким образом, что ненаправленный низкочастотный сигнал подается только на те каналы, к которым подключены широкополосные АС, или на отдельный сабвуфер.

Послесловие

Эйфория по поводу качества цифрового звуковоспроизведения давно прошла. Некоторые исследователи, например, пришли к выводу, что человек воспринимает звуковые гармоники вплоть до 80 кГц. И некоторые фирмы, например американская Pacific Microsonics, с целью приблизить цифровой звук к живому, разрабатывают технологии, которые наоборот, повышают количество данных, описывающих звуковой сигнал. Но возможно перед Dolby АС-3 такая задача и не ставилась. А цель — получить многоканальный цифровой звук, занимающий как можно меньше места на носителе, достигнута.

Форматы, в которых используется АС-3:

• ТВЧ (телевидение высокой четкости). Английская аббревиатура HDTV (High Defenition Television). Первый телевизионный формат, в котором используется кодировка АС-3. Первые экспериментальные передачи в этом формате проводились с Олимпийских Игр.

• Цифровое кабельное TV. Использует АС-3, благодаря своей цифровой природе и стандартизации с HDTV. Первые экспериментальные передачи были проведены в конце 1994 года.

• LaserDisc. Исходя из принципа совместимости с уже существующими моделями LD-плейеров, для записи звукового сопровождения в формате АС-3 подходит только NTSC LaserDisc, на котором сохранились дорожки стереофонического FM-сигнала. Цифровая дорожка с кодом АС-3 находится на месте одного из частотно-модулированных каналов (правого), при этом дорожки со стереофоническим импульсно-кодовым и монофоническим частотно-модулированным сигналом сохранены.

• DBS (Digital Broadcoast Sattelite) - цифровое спутниковое радиовещание. Первая система DBS, основанная на АС-3, начала работу в 1994 году. В ней одновременно передается 120 музыкальных стереоканалов плюс дополнительная информация (имя исполнителя, название композиции, альбома).

• DVD (Digital Video Disc). Новый стандарт, поднявший много шума еще до своего принятия. Использование формата АС-3 для записи звука вместе с форматом MPEG-2 для записи видео предполагается в варианте, предложенном фирмами Toshiba и Time Warner.

• Кроме чисто звукового применения, ведутся исследования по использованию алгоритма кодирования АС-3 в других областях: например, в медицинской телеметрии.

Фирмы, купившие лицензии на производство аппаратуры, оснащенной Dolby Surround Digital AC-3:

• Audio Design Associates (ADA)

• Runco International

• Denon Electronics

• Yamaha Electronics (USA)

• Englightened Audio Design (EAD)

• Meridian Audio

• Pioneer Electronics (USA)

Более 30 компаний приобрели лицензии на производство микропроцессоров и других электронных компонентов АС-3. Среди них: Zoran, Motorola, Texas Instruments, LSI Logic.

Технические характеристики АС-3:

Количество бит квантования	20
Частотный диапазон основных каналов при неравномерности +/- 0,5 дБ (-3 дБ на 3 кГц и 20,3 кГц)	20 Гц-20 кГц
Частотный диапазон канала низкочастотных эффектов при неравномерности +/- 0,5 дБ (-3 дБ на 3 Гц и 121 Гц)	20-12 0 Гц
Частота дискретизации	32кГц; 44,1кГц; 48кГц
Скорость передачи данных одного канала	32-75кБ/с
Типовое значение скорости передачи данных для конфигурации "5.1"	384-448кБ/с
Типовое значение скорости передачи в 2-канальном варианте	192кБ/с

Журнал "Салон АВ"