Системы шумопонижения Dolby

Dolby (До́лби) — семейство систем шумопонижения (СШП) для профессиональной (Dolby A, Dolby SR) и бытовой (Dolby B, Dolby C, Dolby S) аналоговой магнитной записи, разработанное в 1960—1980-е годы Реем Долби и коммерциализированное компанией Dolby Laboratories.

СШП Dolby принадлежат к компандерному типу: при записи кодер Dolby сжимает динамический диапазон сигнала и приподнимает тихие фрагменты записи над уровнем шума магнитной ленты. При воспроизведении декодер Dolby восстанавливает (экспандирует) исходный динамический диапазон. Все СШП Dolby построены по принципу минимального вмешательства в звуковой сигнал: система сжимает или расширяет его динамический диапазон только на малых уровнях и делает это настолько медленно, насколько это позволяет слух человека[1]. Все СШП Dolby совместимы с обычными магнитофонами: умеренная степень сжатия и спектральных предыскажений[англ.] исходного сигнала позволяет воспроизводить ленты, записанные с применением кодера Dolby, на обычных магнитофонах, не оснащённых декодером Dolby. При этом все СШП Dolby чувствительны к точности настройки магнитофонного тракта воспроизведения. Отклонение его характеристик от стандарта приводит к неприемлемо высоким искажениям спектра и динамики сигнала на выходе декодера.

Благодаря инженерной интуиции и деловым качествам Рея Долби, его стратегии обратной совместимости и его лицензионной политике, системы Dolby A (1966) и Dolby B (1970) стали де-факто отраслевыми стандартами для студийной и бытовой аппаратуры. Dolby B широко применялась в массовом производстве записанных компакт-кассет, а Dolby A стала составной частью кинематографических систем объёмного звука Dolby Stereo. Конкурировавшая СШП dbx смогла закрепиться лишь в нижнем сегменте рынка студийных и полупрофессиональных магнитофонов. В 1981 году Долби столь же успешно вывел на рынок бытовую СШП нового поколения Dolby C, призванную приблизить отношение сигнал/шум кассетного магнитофона к характеристикам цифровых носителей, а в 1986 году — профессиональную СШП Dolby SR. Её коммерческий успех на несколько лет задержал переход индустрии звукозаписи с аналоговой на цифровую запись. Непосредственным развитием Dolby SR стала бытовая СШП последнего поколения Dolby S.

Замысел конструктора

Принцип обработки в параллельном канале. Предельный коэффициент передачи параллельного канала M в различных вариантах СШП составляет от 2 до 2,5[2]
Сложение сигналов основного и параллельного каналов и результирующие билинейные (ломаные) передаточные характеристики в режимах записи и воспроизведения. Разметка осей в логарифмическом масштабе в дБ, 0 дБ на всех графиках соответствует уровню Долби

В 1950-е годы молодой Рей Долби, в то время работавший конструктором видеомагнитофонов в компании Ampex[комм. 1], всерьёз заинтересовался проблемой шумопонижения[5][6]. Шумопонижение давно применялось в кинематографе, телефонной и радиосвязи, но ни одно известное решение не было пригодно для высококачественной звукозаписи[7]. Идея внедрить шумопонижение в студийную практику, скомпрометированная неудачными опытами и откровенным шарлатанством, в тогдашнем сообществе инженеров считалась нереализуемой[5]. Долби воспринял её как уникальный шанс сделать то, что не удавалось никому другому[5].

Решение, со слов самого Долби, пришло к нему годы спустя, во время работы техническим советником ООН в Индии (1963—1964)[6][8]. Долби, неожиданно для самого себя, нашёл причину неудач своих предшественников: их шумоподавители, в точном соответствии с принципом компандирования, сжимали записываемый сигнал, что порождало неприемлемо высокие нелинейные искажения на высоких уровнях[8][6]. Долби понял, что манипулировать громкими сигналами нельзя. Сигнал высокого уровня маскирует собой шумы ленты, он не нуждается в шумопонижении и потому должен проходить со входа на выход устройства неизменным[8][9]. Активное шумопонижение требуется лишь относительно слабым сигналам. Поэтому для сжатия динамического диапазона следует использовать отдельный усилитель слабых сигналов, размещённый параллельно основному тракту[8]. На малых уровнях сигнала коэффициент передачи параллельного канала максимален, и именно он определяет коэффициент передачи всего устройства и эффективность шумопонижения (в практических СШП Dolby — около 10 дБ[2]). По мере роста уровня входного сигнала коэффициент передачи параллельного канала падает до нуля: на средних уровнях параллельный канал отключается, и на выход проходит лишь неискажённый сигнал основного канала[8]. При записи сигналы двух каналов суммируются, а при воспроизведении сигнал параллельного канала вычитается из сигнала основного канала. Отрицательная обратная связь, охватывающая декодер воспроизведения, гарантирует, что его передаточная характеристика всегда обратна передаточной характеристике кодера записи[2][9].

Двухканальная топология компандера с билинейной (ломаной) передаточной характеристикой параллельного канала, запатентованная Долби ещё до возвращения из Индии[10], стала основой всех СШП Dolby[1]. В простейшей Dolby B используется один такой компандер, в Dolby С два компандера включены последовательно, в Dolby А четыре компандера включены параллельно и так далее[11]. Недостаток всех СШП Dolby, обусловленный именно их билинейными передаточными характеристиками, — требовательность к равномерности АЧХ и к согласованию коэффициентов передачи трактов записи и воспроизведения[12]. Условные «0 дБ» кодера и декодера Dolby, от которых отсчитываются точки перелома их передаточных характеристик, должны не только совпадать друг с другом, но и точно соответствовать стандартному уровню намагниченности ленты[12][13]. В противном случае возникает ошибка компандирования: лента, записанная на одном магнитофоне, не может быть корректно воспроизведена на других магнитофонах[12]. В бытовых СШП Dolby B и Dolby C, компандирующих лишь средне- и высокочастотные составляющие сигнала, ошибка компандирования приводит к «завалу» верхних частот, «подрезке» реверберационных послезвучий и разрушению стереосцены[12]. Эталон намагниченности, по которому настраиваются магнитофоны с СШП Dolby, получил имя «уровня Dolby» (англ. Dolby level). Для настройки студийной аппаратуры на этот уровень используются особые патентованные испытательные сигналы: в СШП Dolby A — частотно-модулированный синусоидальный «тон Долби» (англ. Dolby tone), в СШП Dolby SR — широкополосный розовый «шум Долби» (англ. Dolby noise)[14]. Присутствие этих сигналов в начале фонограммы указывает на то, что запись была сделана с применением СШП Dolby[14].

Другим принципиальным решением конструктора был отказ от быстродействующих детекторов, управляющих параллельным каналом. Долби считал, что динамические манипуляции с сигналом должны производиться плавно — настолько медленно, насколько позволяет психоакустика человеческого слуха[1]. Поэтому постоянная времени детекторов выбрана относительно долгой, порядка нескольких десятков миллисекунд[2][комм. 2]. Обычно это способствует снижению искажений в параллельном канале, однако при резких скачках уровня сигнала детектор запаздывает и не успевает вовремя запереть параллельный канал[2]. На выход схемы проходит аномально высокий сигнал, перегружающий магнитную ленту[2]. Для противодействия перегрузкам в СШП Dolby применяются три механизма. Во-первых, наиболее подверженные перегрузкам высокочастотные составляющие записываемого сигнала ослабляются пассивными фильтрами предыскажений; при воспроизведении исходный спектр сигнала восстанавливается фильтром с обратной характеристикой[16]. Это решение было впервые применено в СШП Dolby C[16]. Во-вторых, при резком росте уровня детектируемого сигнала система ускоряет постоянную времени детектора до величины порядка 1 мс[2]. Если и эта мера оказывается недостаточной, вступает в действие диодный ограничитель уровня на выходе параллельного канала. Вносимые ограничителем искажения электрического сигнала — меньшее зло по сравнению с искажениями из-за перегрузки ленты[2]. В отличие от последней, они не приводят к ошибке компандирования[2].

Приверженность Долби принципу наименьшего вмешательства в звуковой сигнал была предопределена его личным опытом и вкусом. Долби принадлежал к школе конструкторов, воспитанных исключительно на классической музыке. Так же, как старшие коллеги по цеху Питер Уокер (Quad[англ.]) и Гилберт Бриггс[англ.] (Wharfedale[англ.]), Долби был способным музыкантом-любителем; так же, как они, Долби считал главной целью конструктора точное воспроизведение классической музыки, прежде всего точность передачи тембров инструментов симфонического оркестра[17]. Компандеры, отлаженные самим Долби на фортепианной и оркестровой музыке, оказались вполне пригодны и для музыки популярных жанров; «вывести их из себя» могли лишь специальным образом запрограммированные синтезаторы. Кинематографические системы Dolby Stereo, отлаженные на музыкальных фильмах[комм. 3], справлялись с большинством музыкальных жанров, но систематически давали сбой при воспроизведении речи и шумовых эффектов[19]. Этот недостаток удалось исправить только жёсткими ограничениями на расстановку проблемных источников звука в стереопространстве[19].

Dolby A

Блок-схема Dolby A в режиме записи[20]
Студийный одноканальный шумоподавитель Dolby. Справа установлен сменный модуль Dolby A, в центре многооборотные потенциометры для настройки на уровень Долби, слева индикатор точной настройки уровня и кнопка включения генератора испытательного сигнала Долби

Вернувшись в Англию, в мае 1965 года Долби обсудил свою идею со специалистами лондонской студии Decca[21][комм. 4]. Заручившись их поддержкой, в течение лета 1965 года он отладил первый прототип своей СШП (будущей Dolby A) и в ноябре 1965 года передал его на испытания в Decca[21][22]. Прототип, со слов Долби, выдержал проверку импульсными сигналами, фортепианной, гитарной и оркестровой музыкой, и после нескольких месяцев ожидания, в марте 1966 года, Долби получил заказ на первую серию из девяти[23] каналов шумопонижения[24].

Один канал Dolby A состоит из четырёх параллельно включённых компандеров, работающих в полосах частот 20…80, 80…3000, 3000…20000 и 9000…20000 Гц[25][16]. Границы низкочастотной и высокочастных полос задаются активными фильтрами второго порядка, а среднечастотная полоса формируется вычитанием сигналов трёх других полос из входного сигнала[16][26]. В каждом из компандеров применены прецизионный двухполупериодный детектор уровня и двухступенчатый аттенюатор параллельного канала на паре полевых транзисторов[26]. Точки перелома билинейных характеристик находятся на отметках −40 дБ и −20 дБ относительно уровня Долби, предельное усиление слабого сигнала равно 10 дБ (1:3,16)[27]. Эффективность шумопонижения в полосе ниже 5000 Гц составляет 10 дБ, а в полосе 5000…20000 Гц, где одновременно работают два из четырёх компандеров, — до 15 дБ[25]. Номинальные уровни записи и воспроизведения не должны отклоняться от уровня Долби более чем на ±0,3 дБ (±3,5 % по напряжению)[7], в противном случае декодер не может корректно восстановить динамику записанного сигнала. Для настройки уровней все СШП Dolby A комплектовались генератором сигнала Долби и индикатором точной настройки по уровню Долби[13].

Первые грампластинки, записанные Decca с применением Dolby А, — двойной диск с записью Второй симфонии Малера в исполнении Лондонского симфонического оркестра под управлением Георга Шолти — поступили в продажу в ноябре 1966 года[22][28]. Зимой 1966—1967 года Долби договорился о поставках Dolby A с крупнейшими американскими студиями[22]. В первые год или два студии применяли Dolby A лишь для сведения многодорожечных записей (этот процесс был наиболее подвержен шумам), а затем Dolby A постепенно стала использоваться на всех этапах производства фонограмм, от записи до мастеринга[29][30]. К 1973 году в звукозаписывающей отрасли США служили 14 тысяч каналов шумопонижения Dolby, к осени 1976 года их число превысило 20 тысяч[31]. В соответствии со стратегией Рея Долби все устройства Dolby A производились самой Dolby Laboratories, продавались только студиям звукозаписи и могли применяться только в профессиональной работе[32][33]. Конкурировавшая система шумопонижения dbx, вышедшая на рынок в 1974 году, поначалу продавалась столь же активно[31], но к концу 1970-х годов проиграла Dolby. Опрос крупнейших студий США, опубликованный в ноябре 1980 года, показал, что Dolby A использовалась в 51 % сессий звукозаписи на «медленной» скорости 38,1 см/c[комм. 5], а dbx — всего лишь в 3 %[34]. Звукорежиссёры, специализировавшиеся на записях классики и джаза, отказались от dbx из-за чувствительности материала к характерным для dbx искажениям нарастания и спада импульсных сигналов[7]. Абсолютное превосходство Dolby A продолжалось до перехода студий на Dolby SR в конце 1980-х годов[29], но и в конце 1990-х годов в медиа-индустрии служили около 200 тысяч каналов Dolby A[35].

Внедрение Dolby A в кинематограф заняло десятилетие: кинопрокатчики не желали вкладывать капиталы в новейшую аппаратуру, а киностудии не были готовы к выпуску фильмокопий со звуковыми дорожками разных форматов[36][37]. Долби понимал, что для завоевания консервативного рынка кинопроката одного шумопонижения мало, и сосредоточился на продвижении Dolby A киностудиям[38]. Первое применение Dolby A в большом кино состоялось в 1971 году по инициативе Стэнли Кубрика[38]. Шумопонижение позволило Кубрику использовать в фонограмме «Заводного апельсина» до пяти последовательных перезаписей, но зрители выгод от новой технологии не ощутили: оптические звуковые дорожки прокатных копий фильма были записаны традиционным способом, без применения кодера Dolby[38]. Выпуск фильмов с монофоническими оптическими дорожками, кодированными Dolby A, начался в 1974 году[38]. «Долбизированные» фильмы 1974—1975 года демонстрировались без применения декодера Dolby; опыт показал, что при этом субъективно воспринимаемое качество звука было не хуже, а лучше обычных фонограмм[38]. В 1975 году на рынок вышла разработанная Долби и Роном Улигом система объёмного звука Dolby Stereo[18]. Стереофонические оптические дорожки Dolby Stereo записывались с применением Dolby A, а полноценное декодирование трёхканального[комм. 6] сигнала предполагало использование декодеров Dolby A[18]. Система была полностью совместима с традиционными, монофоническими киноустановками и при этом недорога[18][39]. Массовое техническое перевооружение киносетей США новой аппаратурой, впоследствии названное «вторым пришествием звука в кино»[39], началось в самом конце 1970-х годов, на волне коммерческого успеха «Близких контактов третьей степени» и «Звёздных войн»[40][39].

Через несколько десятилетий после создания СШП Dolby Laboratories разработала её программный эмулятор для обработки оцифрованных архивных фонограмм[41]. Задача оказалась необыкновенно сложной[41]. Линейные процессы в аналоговых фильтрах имели точное математическое описание и легко переводились на язык цифровой обработки сигналов, но взаимосвязанные нелинейные процессы в аттенюаторах, ограничителях уровня и детекторах не поддавались лобовой атаке[41]. Аттенюатор можно было свести к элементарному умножителю сигналов, главную же сложность представлял синтез нелинейной управляющей функции[41]. Разработчики эмулировали такие зависимости двумя методами — либо с помощью табличных функций, либо с помощью разложения сложной зависимости на элементарные полиномиальные составляющие[41]. Оба метода требовали тщательных, всесторонних лабораторных обмеров моделируемых цепей[41].

Dolby B

Блок-схема Dolby B в режиме записи
АЧХ в режиме записи. Верхняя кривая задаёт предельную глубину подавления шума паузы[42]

В апреле 1967 года американский инженер и предприниматель Генри Клосс[англ.] предложил Долби разработать упрощённый вариант его СШП для установки в бытовой катушечный магнитофон[22]. Для потребительского рынка многоканальная СШП была слишком дорога и, по мнению Долби, не нужна[35]. Главной составляющей шума бытовых магнитофонов, работавших на низких скоростях, был высокочастотный шум («шип») ленты; относительно слабые низкочастотные помехи (фликкер-шум усилителя, копирэффект и тому подобное) не требовали особого внимания. Поэтому конструктор решил, что СШП бытового магнитофона должна действовать только на средних и высоких частотах[35]. Шумопонижение только высоких частот, как показал опыт, было недостаточно; полоса действия СШП должна была начинаться как минимум на отметке 500 Гц[35].

Новая, одноканальная СШП получила имя Dolby B. Её единственный компандер был заметно упрощён и удешевлён по сравнению с компандерами Dolby A: управляемый аттенюатор выполнен на единственном полевом транзисторе, детектор построен по однополупериодной схеме[42]. В первом прототипе, собранном самим Долби, использовалось всего пять транзисторов и пять диодов[42]. Небольшой, не более +10 дБ, подъём высоких частот при записи позволяет воспроизводить ленты Dolby B без применения соответствующего декодера[43]. Эффективность подавления шума паузы в полосе частот 4000…20000 Гц достигает 10 дБ; на частоте 500 Гц она снижается до 3 дБ[42]. Схемотехническая «изюминка» Dolby B — включённый на входе параллельного канала RC-фильтр с перестраиваемой частотой среза (англ. sliding band, «скользящая полоса»)[44]. Сопротивлением этого фильтра служит сопротивление канала транзистора-аттенюатора. Чем выше напряжение на выходе параллельного канала, тем большее затухание вносит аттенюатор и тем выше частота среза фильтра[44]. Фильтр как бы следит за самыми мощными составляющими сигнала: чем выше их частота, тем у́же полоса пропускания параллельного канала[44]. Таким способом Долби эффективно решил проблему «дыхания шума» в такт мощным низкочастотным составляющим сигнала[44].

С июня 1968 года Dolby B серийно устанавливалась в магнитофоны KLH[англ.][22]. В течение двух лет компания Клосса была единственным, эксклюзивным лицензиатом Dolby B, сам же Долби сосредоточился на адаптации Dolby B к кассетным магнитофонам[22]. Первые кассетные деки с Dolby B, укомплектованные лентопротяжными механизмами Nakamichi, поступили на прилавки Северной Америки летом 1970 года[22]. Одновременно в США и Великобритании начался выпуск серийных кассет с записью, кодированных по системе Долби; к середине 1970-х годов абсолютное большинство кассет с записью выпускались с применением Dolby B[22].

Именно «долбизированные» кассеты стали предпосылкой коммерческого успеха СШП Dolby, да и самого формата компакт-кассеты[32]. Прозорливый Долби не брал за их выпуск никаких лицензионных платежей; его единственным требованием была обязательная маркировка таких кассет торговым знаком Dolby System[45]. В результате в странах Запада возник мощный потребительский спрос на магнитофоны, оснащённые СШП Dolby; производители спешили удовлетворить его и были готовы платить Долби лицензионные отчисления[32]. Долби навсегда отказался от предоставления кому бы то ни было эксклюзивных лицензий[32][33]. С 1971 года его компания предлагала всем заинтересованным производителям типовое лицензионное соглашение с переменной ставкой платежа за каждый выпущенный магнитофон: чем больше аппаратуры выпускал лицензиат, тем меньше он платил в расчёте на единицу продукции[32]. Лицензиаты могли применять Dolby B только в бытовой, но не в профессиональной технике; Dolby Laboratories, в свою очередь, обязывалась не конкурировать[англ.] с лицензиатами на потребительском рынке[32][33][45]. В 1971 году лицензию Долби приобрели более 30 японских компаний; в 1972 году число лицензиатов достигло 40, а доход Dolby Laboratories превысил один миллион фунтов стерлингов[32]. В январе 1973 года начались испытания первой интегральной схемы Dolby B (Signetics NE545)[44].

К 1981 году количество выпущенных магнитофонов с Dolby B превысило 100 миллионов[46]. Массовая эксплуатация выявила главный недостаток Dolby B: требования системы к точности настройки магнитофона были практически недостижимы в бытовых условиях[46]. В студийной практике было принято настраивать аппаратуру перед каждой сессией грамзаписи[34]; в домашних условиях это было невозможно (а в XXI веке эталонные испытательные ленты стали и вовсе недоступны[47]). Без регулярной настройки по лабораторному эталону бытовые магнитофоны быстро накапливали «критическую массу» больших и мелких механических дефектов, исключавшую корректную работу СШП[46][47]. Декодеры таких магнитофонов «заваливают» верхние частоты настолько, что пользователи вынужденно отказываются от использования Dolby[43].

Dolby C

Блок-схема Dolby С в режиме записи. Компандер каждой ступени построен по схеме Dolby B, однако имеет отличные от Dolby B постоянные времени фильтров, детектора и пороги ограничения уровня. При переключении СШП в режим Dolby B эти характеристики компандера высокого уровня возвращаются к типовым значениям Dolby B (компандер низкого уровня в режиме Dolby B не используется)
АЧХ в режиме записи. Верхняя кривая задаёт предельную глубину подавления шума паузы. Спад АЧХ выше 10 кГц — действие «антинасыщения», спад в области 1…4 кГц — действие «спектрального скоса»[48]

На рубеже 1970-х и 1980-х годов звукозаписывающая промышленность начала подготовку к массовому выпуску компакт-дисков. В новых условиях Dolby B казалась устаревшей[49]. Производителям кассетной аппаратуры срочно потребовалась новая система шумопонижения, способная приблизить отношение сигнал-шум бытового магнитофона к характеристикам компакт-диска. Компании JVC, Sanyo, Telefunken и Toshiba вывели на рынок конкурирующие СШП нового поколения Super ANRS, Super D, High Com и ADRES, обеспечивающие шумопонижение 20…30 дБ, а Panasonic, TEAC и Yamaha выбрали уже проверенную СШП dbx Type II[50][51]. Dolby Laboratories предложила собственное решение, СШП Dolby C, в конце 1980 года[52].

Технически, каждый канал кодера или декодера Dolby C состоит из двух последовательно включённых компандеров по схеме Dolby B[52]. В режиме записи первый из них (в документации Dolby «ступень высокого уровня», англ. high level stage) сжимает сигналы в диапазоне −30…-10 дБ, второй («ступень низкого уровня») — сигналы в диапазоне −50…-30 дБ[52]. Две билинейные передаточные характеристики точно стыкуются у отметки −30 дБ относительно уровня Долби[52]. Начальная частота среза управляемых фильтров (и, следовательно, частотная полоса эффективного шумопонижения) сдвинута вниз, с 800 до 200 Гц[52]. Чтобы снижение частоты не порождало пульсации управляющих напряжений, однополупериодные детекторы Dolby B заменены двухполупериодными[53].

На входе кодера записи включена патентованная «цепь антинасыщения» (англ. anti-saturation network) — низкодобротный резонансный фильтр предыскажений, ослабляющий высокочастотные составляющие исходного сигнала[52]; ещё одна пассивная «цепь спектрального скоса» (англ. spectral skewing network) встроена в основной канал низкого уровня[53]. На выходе декодера Dolby C включается фильтр с обратной характеристикой, восстанавливающий исходный спектр[53]. Предыскажения защищают магнитную ленту от перегрузки высокочастотными составляющими сигнала и уменьшает их влияние на детекторы СШП, что заметно снижает ошибку компандирования, но одновременно снижает эффективность шумопонижения[53]. Её величина в полосе частот 1…10 кГц составляет около 20 дБ, а реальный динамический диапазон тщательно настроенного магнитофона с Dolby C не превышает 75 дБ[54][комм. 7].

Война форматов шумопонижения, которую ожидали в 1981 году эксперты[50], не состоялась: Долби блестяще воспользовался конкурентным преимуществом фактического монополиста. Примерно 120 производителей, уже обладавших лицензиями на Dolby B, автоматически получили право на установку Dolby C. Дополнительных лицензионных отчислений за установку в магнитофон обеих СШП Dolby не требовалось (что не только ускорило внедрение Dolby C, но и продлило жизнь Dolby B[49])[33]. Себестоимость установки новой СШП оказалась невелика: уже осенью 1981 года на рынке появилась специализированная микросхема процессора Dolby B/C производства Hitachi[54]. За ней последовали микросхемы Philips и Panasonic, а компания Sony выпустила несколько линеек таких микросхем, включая ставшую самой массовой серию CX20027…CX20187[55]. В результате, по данным Dolby Laboratories, уже к февралю 1982 года было выпущено более миллиона магнитофонов с Dolby C, а количество выпускаемых моделей перевалило за сотню[56][54]. В течение 1983 года набор из Dolby C и Dolby B стал де-факто стандартом верхнего сегмента рынка[49]. Не востребованные рынком системы-конкуренты, несмотря на объективно лучшие характеристики, были быстро сняты с производства[54].

Долби не только сохранил монопольное положение на рынке стационарной бытовой аппаратуры, но и попытался войти с новой системой на рынок полупрофессиональной техники: Dolby C стала частью репортажных видеосистем Betacam и Betacam SP[57]. Однако внедрить Dolby C на рынок записанных кассет и тесно связанный с ним рынок карманных плееров Долби не смог[49]. Звукозаписывающие компании сочли Dolby C недостаточно совместимой с обычными магнитофонами и продолжили использование Dolby B[58].

Dolby SR

Прототип Dolby SR, собранный Долби. Экспонат выставки 2006 года
Серийный модуль Dolby SR
Dolby SR cat.431 со снятым экраном
Блок-схема Dolby SR в режиме записи
Блок-схема Dolby S в режиме записи
Блок-схема высокочастотного звена (сдвоенного компандера) Dolby S и Dolby SR (технология Action Substitution)

Долби вспоминал, что уже в 1974 или 1975 году специалисты Philips предлагали ему разработать новую студийную СШП, превосходящую по эффективности Dolby A[59]. В те годы качественная реализация такого проекта казалась невозможной; конструктор вернулся к теме «преемника Dolby A» лишь в 1980 году, в ходе проектирования Dolby C[59]. Dolby SR, как и Dolby C, была создана Долби единолично, в его домашней лаборатории[59]. Разработка SR заняла шесть или семь лет; за годы затворничества Долби, с его слов, почти утратил связь с компанией, носившей его имя[59].

Dolby SR (англ. Spectral recording, «спектральная запись») — двухполосная, трёхкаскадная система шумопонижения. Dolby SR манипулирует сигналом только в пределах звукового диапазона и практически не влияет на передачу инфразвуковых и ультразвуковых сигналов; это снижает и интермодуляционные искажения, и модуляционный шум[60]. АЧХ входных цепей «спектрального скоса» выбрана близкой к кривым равной громкости Робинсона — Дадсона[англ.][61]. Каскады высокого, среднего и низкого уровня сжимают входной сигнал в диапазонах −5…-30 дБ, −30…-48 дБ и −48…-62 дБ; их передаточные характеристики стыкуются на отметках −30 дБ и −48 дБ по образцу Dolby C[60]. Каскады высокого и среднего уровня содержат по два звена, высокочастотное и низкочастотное, с частотой раздела 800 Гц, а каскад нижнего уровня — только высокочастотное звено[60]. В четырёхоктавной полосе 200…3000 Гц одновременно работают все пять звеньев[60]. Каждое из пяти звеньев Dolby SR (три ВЧ и 2 НЧ) включает в себя два последовательно-параллельно соединённых компандера[60][62]. В первом из них (ведущем) частота среза входного фильтра зафиксирована на отметке 800 Гц, во втором (ведомом) она перестраивается по образцу Dolby B. Это фирменное решение получило название Action Substitution, «замена [механики] действия»: в зависимости от спектра входного сигнала звено самостоятельно выбирает оптимальную конфигурацию фильтра[62]. Ещё одна патентованная подсистема — распределённая цепь коррекции коэффициентов передачи компандеров — получила названия Modulation Control («управление модуляцией»). Во всех предшествующих СШП каждый компандер детектировал уровень входного сигнала независимо от других компандеров; в Dolby SR показания индивидуальных детекторов корректируются общей управляющей цепью[63][64].

Каждое из пяти звеньев Dolby SR подавляет шум на 8..9 дБ, а общая эффективность шумопонижения составляет 27 дБ на частотах выше 800 Гц и 19 дБ на частотах ниже 800 Гц[65][62]. Динамический диапазон аналоговой 24-дорожечной записи с Dolby SR достигает 90 дБ, динамический диапазон двухдорожечных магнитофонов с Dolby SR ещё выше — 95…100 дБ[65] во всём диапазоне звуковых частот[62]. Качество звучания такой записи сопоставимо с качеством студийного цифрового тракта с разрешением 22…24 бит и частотой дискретизации 96 кГц[65], без каких-либо заметных на слух модуляционных шумов и искажений[62]. Благодаря уменьшенной глубине компандирования SR менее склонна к перегрузкам, чем все её предшественники, и менее чувствительна к рассогласованию характеристик трактов записи и воспроизведения[62][60].

Вышедшая на рынок в 1986 году система быстро заняла место Dolby A в производстве музыкальных записей и на несколько лет задержала переход отрасли на цифровую звукозапись[39][66]. К 1990 году Dolby SR использовали около 43 тысяч студий звукозаписи и телерадиотрансляции[39]; к 1997 году количество установленных каналов Dolby SR превысило 120 тысяч[62]. В кинематографе жизненный цикл новинки оказался коротким. В 1987 году на экраны вышли первые фильмы, озвученные в Dolby Stereo с применением Dolby SR, — «Внутреннее пространство» и «Робокоп»[67][40]. Выигрыш Dolby SR в качестве звучания, с точки зрений киностудий, был недостаточным. Студии требовали от инженеров ещё большего динамического диапазона, достижимого лишь в цифровой технике[40]. Первая полностью цифровая система, шестиканальная Kodak CDS, вышла на североамериканский рынок в 1990 году[40]. Kodak опередил всех конкурентов, включая Dolby, но совершил стратегическую ошибку, отказавшись от обратной совместимости с аналоговой аппаратурой, — что позволило Dolby завоевать рынок с обратно-совместимой, цифро-аналоговой системой Dolby SR-D (1991)[40][39].

Dolby S

В начале 1990 года Dolby Laboratories продемонстрировала новую СШП для бытовой магнитной записи — Dolby S, основанную на проверенной студийной практикой Dolby SR[64]. Осенью 1990 года началось производство специализированных микросхем Sony (эта компания стала единственным поставщиком ИС Dolby S), в ноябре 1990 года на рынке появились укомплектованные Dolby S 24-дорожечные студийные магнитофоны Tascam, в декабре 1990 года — бытовые кассетные деки Harman-Kardon[68][57]. Затем BMG Entertainment начала выпуск записанных кассет, кодированных СШП Dolby S[57]. Компакт-кассета ещё оставалась востребованным носителем информации: цифровые магнитофоны DAT и установки записи на компакт-диски были слишком дороги для массового потребителя[64].

Dolby S стала первой разработкой компании, изначально спроектированной в интегральном исполнении средствами компьютерного моделирования[62][64]. Для того, чтобы упаковать два стереоканала СШП в недорогую микросхему, Долби упростил топологию SR: из трёх звеньев высокочастотной обработки в Dolby S остались два, из двух низкочастотных звеньев — одно[64]. В остальном Dolby S сохранила все технические новшества Dolby SR и Dolby C: сложные многоступенчатые детекторы («управление модуляцией»), сдвоенные компандеры с фиксированной и перестраиваемой частотой среза («замена [механики] действия»), распределённые фильтры предыскажений («спектральный скос» и «цепи антинасыщения»). В кассетной аппаратуре эти решения не столько улучшали звучание, сколько гарантировали разработке патентную защиту[64]. Даже в упрощённом варианте новая СШП оказалась чрезмерно сложной — намного сложнее, к примеру, схемы цветного телевизора[64].

В наиболее критичной для восприятия полосе частот 2…5 кГц Dolby S подавляет шумы на 24 дБ[68][63]. На верхней границе звукового диапазона эффективность шумопонижения снижается до 12 дБ, на частоте 100 Гц — до 10 дБ[68][63]. Субъективно воспринимаемое снижение шума ленты лишь ненамного превосходит Dolby C; главное преимущество Dolby SR проявляется не в снижении уровня шума, а в повышении максимального уровня неискажённой записи[68]. При использовании лент Тип IV максимальный уровень записи возрастает на 7…8 дБ, а динамический диапазон превосходит 85 дБ[68][63]. Субъективно это воспринимается прежде всего как выигрыш в качестве воспроизведения мощных низкочастотных звуков[68].

Благодаря низкочастотному каналу обработки фонограммы Dolby S лучше совместимы с обычными магнитофонами, чем фонограммы Dolby C. В отличие от профессиональной Dolby SR, бытовая Dolby S в той же мере, что и Dolby C, требовательна к точности настройки тракта воспроизведения: отклонение опорного уровня от стандарта на 1,5…2 дБ приводит к развалу стереосцены[68].

Сводная таблица

Вариант Dolby A Dolby B Dolby C Dolby SR Dolby S
Начало серийного выпуска 1966 1968 1981 1986 1990
Назначение[11] Профессиональная Бытовая Бытовая Профессиональная Бытовая
Конфигурация и схемотехнические решения
Частотные предыскажения «спектрального скоса»[11] нет нет на ВЧ на НЧ и ВЧ на НЧ и ВЧ
Частотные предыскажения «антинасыщения»[11] нет нет на ВЧ на НЧ и ВЧ на ВЧ
Количество частотных полос компандирования[11] 4 1 1 2 2
Количество последовательных каскадов компандирования[11] 1 1 2 2 (НЧ), 3 (ВЧ) 1 (НЧ), 2 (ВЧ)
Количество компандеров с фиксированной полосой[11] 4 0 0 5 3
Количество компандеров со «скользящей» полосой[11] 0 1 2 5 2
Эффективность шумопонижения одиночным компандером 10 дБ 10 дБ[35] 10 дБ[58] 8 дБ[65] 10…12 дБ[68]
Оценка эффективности
Снижение уровня шума 16 дБ (9000…20000 Гц)
10 дБ (20…9000 Гц)[11]		 10 дБ (4000…20000 Гц)
3 дБ (500 Гц)[42]		 20 дБ (1000…20000 Гц)
3 дБ (100 Гц)[53]		 27 дБ (800…20000 Гц)
16 дБ (20…800 Гц)[11]		 24 дБ (2000…5000 Гц)
10 дБ  дБ (100…20000 Гц)
3 дБ (20 Гц)[68][11]
Увеличение максимального уровня записи 7…8 дБ на краях звукового диапазона[68]
Динамический диапазон воспроизводимого сигнала 80 дБ[69] 72…75 дБ[53] 90…100 дБ[70] 85 дБ[62]

Комментарии

  1. ↑ Долби был принят в Ampex в пятнадцать лет, благодаря знакомству с А. М. Понятовым. Летом 1952 года, когда Долби окончил первый курс колледжа, ему довелось узнать о совершенно секретном проекте, над которым работал ведущий конструктор Ampex Чарльз Гинзбург. Ampex выполняла много работ для Пентагона, создавала приборы для испытаний ядерного оружия, но Гинзбург работал не над военным заказом, а над первым видеомагнитофоном. Долби сумел пробиться в лабораторию Гинзбурга и вскоре стал его ближайшим помощником. Первый прототип видеомагнитофона, разработанный группой Гинзбурга, был завершён в ноябре 1952 года. Призыв Долби в армию в марте 1953 существенно замедлил работу над проектом. Отслужив, Долби вернулся в Ampex и работал над видеомагнитофонами до 1961 года[3][4].
  2. ↑ Для сравнения, в разработанной Telefunken студийной СШП Telcom C4 время нарастания детектора составляет от 380 мкс в низкочастотном канале до всего лишь 18 мкс в высокочастном[15].
  3. ↑ Первыми фильмами, озвученными в тогда ещё трёхканальном Dolby Stereo, были британские рок-мюзиклы «Томми» и «Листомания» (1975). За ними последовал озвученный в четырёхканальном Dolby Stereo американский мюзикл «Звезда родилась»[18].
  4. ↑ Во время докторантуры в Кембриджском университете Долби играл в университетском оркестре и был связным между оркестром и лондонскими студиями грамзаписи. Поэтому ещё до 1965 года он и обзавёлся полезными связями в мире звукозаписи, и изучил технологии их работы[21].
  5. ↑ На «быстрой» скорости 76,2 см/c уровень шума заметно ниже, поэтому на ней шумопонижение применялось реже[34].
  6. ↑ Левый, правый и центральный каналы. Четвёртый, тыловой, канал Dolby Surround появился годом позже, по инициативе создателей фильма «Звезда родилась»[18].
  7. ↑ 72…75 дБ, при использовании взвешивающего фильтра A по DIN 45500[54]. Знаменателем отношения сигнал-шум служил не номинальный уровень Долби, а предельный уровень записи на образцовую ленту, при котором нелинейные искажения составляли не более 3 %.

Примечания

  1. ↑ 1 2 3 Talbot-Smith, 2013, p. 3—32.
  2. ↑ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Talbot-Smith, 2013, p. 3—33.
  3. ↑ Abrambson, A. The History of Television, 1942 to 2000. — McFarland, 2003. — P. 52. — ISBN 9780786412204.
  4. ↑ Leslie, J. , Snyder, R. History of The Early Days of Ampex Corporation : [арх. 10 января 2022] // AES Historical Committee. — 2010. — P. 1—14.
  5. ↑ 1 2 3 Sergi, 2004, p. 38.
  6. ↑ 1 2 3 Ray Dolby Interview Part 5 of 7 - EMMYTVLEGENDS.ORG (интервью 26 марта 2007 года) на YouTube, начиная с 8:00
  7. ↑ 1 2 3 Агеев, С. Система шумопонижения dbx — прошлое и настоящее // Радио. — 1998. — № 3. — С. 13—15.
  8. ↑ 1 2 3 4 5 Sergi, 2004, p. 39.
  9. ↑ 1 2 Kefauver, 2001, p. 258.
  10. ↑ Sergi, 2004, p. 41.
  11. ↑ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 Friesecke, 2007, p. 628.
  12. ↑ 1 2 3 4 Сухов, 1999 № 1, с. 41.
  13. ↑ 1 2 Hawksford, 2002, p. 63.
  14. ↑ 1 2 Copeland, 2008, pp. 201, 208.
  15. ↑ Friesecke, 2007, p. 621.
  16. ↑ 1 2 3 4 Talbot-Smith, 2013, p. 3—34.
  17. ↑ Hood, J. L. Valve and Transistor Audio Amplifiers (англ.). — Newnes, 2006. — P. 229. — ISBN 0750633565.
  18. ↑ 1 2 3 4 5 Beck, 2016, p. 167.
  19. ↑ 1 2 Beck, 2016, pp. 168, 169.
  20. ↑ Hawksford, 2002, p. 63 (упрощённо).
  21. ↑ 1 2 3 Sergi, 2004, pp. 39, 40.
  22. ↑ 1 2 3 4 5 6 7 8 Сухов, 1998 № 5, с. 36.
  23. ↑ Eiloart, T. Quite Quiet. — New Scientist. — 1973. — № July 5. — P. 31, 32.
  24. ↑ Sergi, 2004, pp. 40, 41.
  25. ↑ 1 2 Kefauver, 2001, p. 261.
  26. ↑ 1 2 Hawksford, 2002, p. 64.
  27. ↑ Kefauver, 2001, pp. 260, 261.
  28. ↑ Copeland, 2008, p. 199.
  29. ↑ 1 2 Copeland, 2008, p. 200.
  30. ↑ Tyler, Les and Kirkwood, Wayne. Dedicated Analog Circuits for Audio Applications // Handbook for Sound Engineers (fifth edition) / Greg Ballou. — CRC Press, 2015. — P. 128—151. — ISBN 9781135016661., p. 129.
  31. ↑ 1 2 Woram, John. It'll never work - But Noise Reduction Grows // Billboard. — 1976. — № October 30.
  32. ↑ 1 2 3 4 5 6 7 Cullis, R. Patents, Inventions and the Dynamics of Innovation: A Multidisciplinary Study. — Edward Elgar Publishing, 2007. — P. 148. — ISBN 9781782542766.
  33. ↑ 1 2 3 4 Sergi, 2004, p. 22.
  34. ↑ 1 2 3 Zide, Larry. Good engineering practices: The SPARS survey // DB Magazine. — 1980. — № 11. — P. 49.
  35. ↑ 1 2 3 4 5 Talbot-Smith, 2013, p. 3—35.
  36. ↑ Beck, 2016, p. 165.
  37. ↑ Sergi, 2004, p. 19.
  38. ↑ 1 2 3 4 5 Beck, 2016, p. 166.
  39. ↑ 1 2 3 4 5 6 Nowell-Smith, G. The Oxford History of World Cinema. — Oxford University Press, 1997. — P. 483—484. — ISBN 9780198742425.
  40. ↑ 1 2 3 4 5 Sergi, 2004, p. 29.
  41. ↑ 1 2 3 4 5 6 Hawksford, 2002, p. 68.
  42. ↑ 1 2 3 4 5 Сухов, 1999 № 1, с. 40.
  43. ↑ 1 2 Hurtig, Brent. Multi-Track Recording for Musicians. — Alfred Music, 1988. — P. 61. — ISBN 9781457424847.
  44. ↑ 1 2 3 4 5 Сухов, 1998 № 5, с. 37.
  45. ↑ 1 2 Copeland, 2008, p. 201.
  46. ↑ 1 2 3 Friesecke, 2007, p. 624.
  47. ↑ 1 2 Endino, Jack. Cassette transfer tips (англ.) (2000–2006). Дата обращения: 15 июня 2024. Архивировано 6 мая 2017 года.
  48. ↑ Сухов, 1999 № 2, с. 43—44.
  49. ↑ 1 2 3 4 Copeland, 2008, p. 207.
  50. ↑ 1 2 Hi-fi audience confused by hiss from players // New Scientist. — 1981. — № 5 February. — P. 342.
  51. ↑ Jacques, Beth. Poised for Digital Replay // Billboard. — 1981. — № 29 August. — P. HT-18, HT-22.
  52. ↑ 1 2 3 4 5 6 Сухов, 1999 № 2, с. 42.
  53. ↑ 1 2 3 4 5 6 Сухов, 1999 № 2, с. 43.
  54. ↑ 1 2 3 4 5 Сухов, 1999 № 2, с. 44.
  55. ↑ Сухов, 1999 № 2, с. 44—45.
  56. ↑ Dolby Laboratories. A Market Now Exists for Prerecorded Dolby C Cassettes // Billboard. — 1982. — № March 6. — P. 57.
  57. ↑ 1 2 3 Copeland, 2008, p. 208.
  58. ↑ 1 2 Talbot-Smith, 2013, p. 3—36.
  59. ↑ 1 2 3 4 Sergi, 2004, p. 52.
  60. ↑ 1 2 3 4 5 6 Kefauver, 2001, p. 264.
  61. ↑ Kefauver, 2001, p. 265.
  62. ↑ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Talbot-Smith, 2013, p. 3—37.
  63. ↑ 1 2 3 4 Talbot-Smith, 2013, p. 3—38.
  64. ↑ 1 2 3 4 5 6 7 Сухов, 1999 № 3, с. 38.
  65. ↑ 1 2 3 4 Friesecke, 2007, p. 626.
  66. ↑ Copeland, 2008, p. 209.
  67. ↑ Friesecke, 2007, p. 781.
  68. ↑ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Сухов, 1999 № 3, с. 39.
  69. ↑ Talbot-Smith, 2013, p. 3—37. Оценка для стереозаписи на широкую дорожку (для узкой дорожки диапазон у́же на несколько дБ).
  70. ↑ Friesecke, 2007, p. 626. Наибольшая оценка для стереозаписи на широкую дорожку, наименьшая для 24-дорожечных магнитофонов.

Литература

Strategi Solo vs Squad di Free Fire: Cara Menang Mudah!