5. КВАДРАФОНИЯ

Двухканальные стереофонические системы обладают следующими недостатками: имеют ограниченную область локализации кажущегося источника звука и звуковое поле, образованное в помещении прослушивания (вторичного поля), неадекватно первичному полю (в студии, концертном зале и т. п.). Вследствие этого с помощью двухканальных стереофонических систем в помещении прослушивания трудно создать у слушателя эффект присутствия при создании передачи.

Качество звукопередачи можно существенно улучшить, применяя квадрафонические системы. В этих системах звукорежиссер формирует четырехканальный стереофонический сигнал, который по четырем или (после функционального преобразования) по двум каналам

 

 

связи направляется к звуковоспроизводящей аппаратуре. Воспроизведение принятого сигнала осуществляется с помощью четырех громкоговорителей, окружающих слушателя. К фронтальному левому Л1 и правому П1 добавляются два тыловых громкоговорителя: левый Л2 и правый П2 (рис. 90). Громкоговорители, окружая слушателя, могут создавать эффект присутствия в зале, эффект атмосферы зала. Система квадрафонии может обеспечить локализацию звуковых образов не только спереди, сзади, слева и справа, но и над слушателем, что позволяет звукорежиссеру создавать новые звуковые эффекты. С помощью системы можно улучшить прозрачность звучания и естественность передачи тембров инструментов и голосов.

Квадрафонические системы разделяются на несколько групп. Система двухканальной стереофонии, в которой используются тыловые громкоговорители и формируются специальные сигналы для их питания, называется псевдоквадрафонией или системой 2—2—4 (два источника, два канала связи, четыре канала звуковоспроизведения). В системах матричной и полной квадрафонии используются четыре сигнала. В студии устанавливают четыре микрофона (рис. 91): два микрофона (Л1 и Л2) — источники левого фронтального и левого тылового сигналов, два микрофона П1 и П2 — источники правого фронтального и правого тылового сигналов. Звуковоспроизведение осуществляется с помощью четырех громкоговорителей. Система матричной и дискретной квадрафонии различаются по числу каналов связи. В системе матричной квадрафонии используют два канала, по которым перeдаются два сложных сигнала (система 4—2—4), в системе дискретной (полной) квадрафонии для передачи четырех первичных сигналов требуется четыре канала связи (система 4—4—4).

 

 

Общее требование к системам квадрафонии — совместимость с стерео- и монофоническими системами.

Системы псевдоквадрафонии. Особенностью этих систем является то, что сигналы к дополнительным (тыловым) громкоговорителям формируются из сигналов двухканальной стереофонической системы. Все существующие разновидности систем псевдоквадрафонии различаются по способам получения дополнительных сигналов.

 

 

Схема питания фронтальных и тыловых громкоговорителей одной из систем псевдоквадрафонии показана на рис. 90, б. На тыловые громкоговорители подаются разностные сигналы А—В и В—А. Регулятором подбирается требуемый уровень тыловых сигналов. Применяя, еще один усилитель питания для тыловых громкоговорителей, можно с большей точности подобрать требуемые уровни сигналов А—В и В—А.

Большими возможностями для формирования звукового поля, усиливающего эффект присутствия слушателя в первичном помещении, обладает система псевдоквадрафонии с использованием фазовращателя. Структурная схема системы псевдоквадрафонии показана на рис. 92.

Фазовращатели ФВ1 и ФВ2 подключены к каналам А и В. На выходе фазовращателей выполняется поворот фазы сигналов на 90°. Поэтому с выхода ФВ1 снимаются сигналы А и А_90º, с выхода ФВ2 — В и В_90º. Основной и сдвинутый по фазе сигналы обрабатываются в устройствах разностного преобразования РП1—РП2, в результате чего на их выходах появляются сигналы А—В (В—А) и А_90º - В_90º или В_90º - А_90º. Сдвинутые по фазе разностные сигналы в сумматорах Σ1 и Σ2 суммируются с основными сигналами А и В и подаются на фронтальные говорители Л1 и П1. Разностные сигналы обрабатываются в сумматорах Σ3 и Σ4 и направляются к тыловым громкоговорителям Л2 и П2. Регулирование уровней смешиваемых сигналов осуществляется регуляторами Р1 — Р8 . Система обеспечивает высокое качество звуковоспроизведения.

Следует отметить, что полнота эффекта, улучшения звуковоспроизведения в псевдоквадрафонических системах зависит не только от выбранной схемы, но и в

 

 

значительной степени от качества записи и жанра прослушиваемой программы. Системы псевдоквадрафонии повышают качество воспроизведения стереозаписей.

Матричные системы квадрафонии обеспечивают лучшую передачу пространственной информации. Для передачи четырех исходных сигналов по двум каналам связи на передающей стороне осуществляют преобразование (матрицирование) четырех сигналов в два, а на приемной стороне осуществляют обратное преобразование (рис. 93). При матрицировании (кодировании и декодировании) необходимо учитывать требование совместимости с соответствующими стерео- и монофоническими системами. Слушатели, имеющие стерео- и монофоническую аппаратуру, должны прослушивать квадрафоническую передачу или запись как полноценную стереофоническую или монофоническую.

В настоящее время еще нет единых стандартов на преобразование четырех каналов в два, их передачи и обратного преобразования. Структурная схема системы матричной квадрафонии, реализованной фирмой «Аудиодата» показана на рис. 94. В этой системе сигналы четырех каналов: Л1 левого и  П1 правого передних Л2 левого и П2 правого тыловых преобразуются с помощью матрицы М1 в сигналы двух каналов Л и В (рис. 93).

 

 

Кодирование исходных четырех каналов осуществляется согласно выражениям

                                      (7.26)

Сигналы А и В передаются по каналам связи, а на приемной стороне в матрице М2 осуществляется декодирование, в результате чего образуется четыре сигнала:

                          (7.27)

Несмотря на простоту кодирования и декодирования, разделение между каналами в системе недостаточное. Например, если на передающей стороне есть сигнал только в переднем левом канале Л1(Л2 = П1 = П2 = 0), то на приемной стороне правый тыловой канал исчезает полностью (П2' = 0), но кроме сигнала в переднем левом канале Л1' остаются сигналы в переднем правом П1' и тыловом левом Л2' каналах, ослабленные на 3 дБ. Аналогичная картина происходит при передаче сигналов только в каждом из каналов Л2, П1 или П2: на приемной стороне диаметрально противоположные каналы исчезают полностью, а в каналах, расположенных на второй диагонали, сигналы появляются с уровнем на 3 дБ ниже, чем в основном канале.

Для того чтобы разделение каналов было более полным, выделенные на приемной стороне сигналы каналов Л1', Л2', П1' и П2' подаются и коммутируемые усилители. Эти усилители действуют следующим образом. Если сигналы в каналах Л1' и П2' (П1' и Л2') резко отличаются (Л1' =1, П2' = 0 или Л1' = 0, П2' = 1), то запираются каналы П1' и Л2', а усиление в каналах Л1' и П2' (П1' и Л2') максимальное. Если сигналы Л1' и П2' равны, то эти каналы запираются, а усиление в каналах П1' и Л2' становится максимальным. Предусмотрена возможность плавной регулировки усиления во всех четырех каналах, если сигналы Л1 и П2 отличаются в меньшей степени.

Коммутирующие сигналы образуются в дифференциальном усилителе ДУ из выпрямленных в выпрямителе В сигналов Л1', Л2', П1', П2''.

Рассмотрим конкретные примеры. Как выше было сказано, если на передающей стороне сигналы есть только в левом канале Л1, то без применения коммутируемых усилителей после декодирования появятся сигнал Л1' = Л1, П1' =0,7 Л1, Л2' = 0,7 Л1. Коммутируемые усилители запрут каналы Л2' и П1', и сигнал останется лишь в канале Л1'.

Если сигнал есть только в канале П1, то после декодирования П1'  = П1, Л1' = 0,7, П1, П2' = 0,7 Л1, Л2' = 0. Каналы Л1' и П2' запираются, и сигнал появляется только на выходе переднего правого канала П1'. Аналогично работают усилители при появлении сигналов только в каналах Л2 и П2. Переходное затухание между каналами не ниже 15 дБ.

Другой более независимый ряд коэффициентов при кодировании и отличный от него ряд коэффициентов при декодировании применила фирма «Электро-Войс» в системе «Стерео-4». Сигналы А и В после кодирования всех исходных Л1, П1, Л2, П2 имеют вид

                                          (7.28)

На приемной стороне после декодирования имеем четыре сигнала:

                         (7,29)

В этой системе разделение передних и тыловых громкоговорителей хорошее. Недостаток системы — уменьшение разделения каналов при декодировании двух передних каналов Л1 и П1.

В одной из наиболее популярных в настоящее время систем SQ четыре канала Л1, П1, Л2 и П2 преобразуются в два по следующим формулам:

                                            (7.30)

где знак j обозначает поворот фазы сигнала на 90°,

На приемной стороне эти два канала преобразуются в четыре:

                                           (7.31)

 

 

Структурная схема кодирующего (КУ) и декодирующего (ДКУ) устройств с подключенными фазовращателями системы матричного кодирования SQ показана на рис. 95.

Из уравнения (7.31) видно, что полного разделения каналов не происходит. При стереоприеме выделяются каналы А и В, т.е. в левый канал попадает сигнал правого канала и наоборот. Кроме того, в каждый канал попадут сдвинутые по фазе на 90° сигналы тыловых каналов, что приведет к уменьшению чистоты  локализации. Монофонические приемники примут сигнал

М =^: А + В = Л₁ + П₁- 0,7(1 + j) Л₂ + 0,7(1 + j)П₂,                (7.32)

 

.значительно отличающийся от обычного монофонического. Ни в одной из систем матричной квадрафонии не удается получить полного разделения каналов на приемной стороне.

Система дискретной квадрафонии характеризуется наличием четырех независимых каналов. При дискретной квадрафонии можно получить пространственное восприятие, недоступное двухканальной передаче, например эффекты полета самолета или стаи птиц над головой слушателя или вокруг него. Источником сигнала в дискретной квадрафонии, как и в матричной, являются микрофоны, четырехканальные магнитофоны и квадрафоническая грампластинка. Четырехканальную магнитную запись выполнить относительно несложно, для этого создают четырехголовочные магнитофоны с четырьмя усилительными трактами записи и воспроизведения. Четырехканальную грамзапись выполнить гораздо сложнее.

В настоящее время популярна система квадрафонической грамзаписи, предложенная японской фирмой «Ниппон Виктор», которая обозначается шифром СД-4 (совместная дискретная четырехканальная система). Эта система совместима с существующей системой стереофонической грамзаписи, поэтому можно воспроизводить квадрафоническую грамзапись через обычную стереофоническую систему воспроизведения. В квадрафонической системе СД-4 сигналы четырех каналов Л1, П1, Л2 и П2 записываются на стенках одной канавки с помощью устройства, используемого для стереофонической: записи по способу 45/45. Каждая сторона канавки несет информацию о двух каналах. Информация о дополнительных каналах образуется путем частотной модуляции несущей с частотой 30 кГц. Спектр частот модулирующих сигналов показан на рис. 96. Спектр простирается до 45— 46 кГц. В полосе звуковых частот 30—15 000 Гц на левой стороне дорожки записывается суммарный сигнал левого переднего и левого тылового каналов (Л1 + Л2) (рис. 26, а), а на правой — суммарный сигнал правого переднего и правого тылового каналов (П1 + П2) (рис. 96 б). В области спектра 20 - 45 кГц записывается несущая с частотой 30 кГц, модулированная по частоте разностными сигналами этих же парных каналов. На левой

 

 

стороне дорожки записывается информация о разностном сигнале Л1 — Л2, а на другой стороне дорожки—П1—П2. При воспроизведении сигналы каналов Л1', П1', Л2', П2' с помощью демодулятора и матрицы разделяются, усиливаются и направляются каждый к соответствующей акустической системе. Система обеспечивает переходное затухание 25 дБ между левым и правым фронтальными и 20 дБ между передними и тыловыми каналами.