Welche Audiosystem-Technologien gibt es?
Welche Audiosysteme gibt es?
Seit Thomas Edison am 6.12.1877 zum ersten Mal Ton aufnahm und auch abspielen konnte, wurde eine Vielzahl der verschiedensten Verfahren und Technologien entwickelt, um den Ton so naturgetreu wie nur eben möglich zu konservieren und abzuspielen.
Ein historischer Rückblick
Es lässt sich leicht erkennen, dass die Fortschritte seit 1877 vor allem in einem breiteren Panorama und einer erhöhten Immersion wiederzufinden sind.
Mono Systeme
In den 1930er-Jahren stand nur die Mono-Audiotechnologie zur Verfügung. Räumliche Eigenschaften wurden und konnten nicht dargestellt werden. Auch kompositorische Informationen in Partituren waren in der Regel nur im geringen Maße räumlicher Natur. Sie enthielten Informationen über die Instrumentalisierung, Noten und Akkorde über die Zeit, sowie die Artikulation. Aus diesem Grund lag der Schwerpunkt bei Aufnahme und Wiedergabe nicht auf räumliche Gegebenheiten.
Stereo-Systeme
Zweikanal-Stereosysteme bieten viel mehr Anwendungsmöglichkeiten als bis dahin bekannte Mono-Systeme. Zwei identische Lautsprecher werden mit einem Abstand zueinander und einen definierten Abstand zum Zuhörer platziert. Es entsteht das sogenannte Stereo-Dreieck!
Relativer Amplituden- und Zeitversatz zwischen den Lautsprechersignalen wird als amplituden und zeitbasiertes Panning bezeichnet. Sie erzeugen Phantomschallquellen in einem Winkel zwischen den Lautsprechern und ein wenige darüber hinaus und funktioniert für Zuhörer, die sich auf der Verbindungslinie zwischen Mitte der Lautsprecherchassis und dem Sweep Spot befinden.
Für die exakte Platzierung und die Position des Hörers gibt es eine eigene DIN-Norm die DIN 15995.
Quadrophonie
Die Quadrophonie wurde in den 1960er und 1970er Jahren vor allem für Filmton und elektroakustische Musik eingesetzt., konnte aber nie einen kommerziellen Erfolg erzielen. Lediglich sein Matrix-System wurde in späteren Systemen implementiert. Es speichert die Informationen von vier Kanälen in zwei Kanälen, durch Überlagerung, und kann so vier Signale wiederherstellen. Dieser Ansatz wird in der Theorie als 4 : 2 : 4 Matrixing bezeichnet.
Dolby Stereo und Dolby Surround
Basierend auf der 4:2:4-Matrix der Quadrophonie wurde 1975 Dolby Stereo entwickelt. Zunächst nur für Kinos und Lichtspielhäuser. Es enthält vier Kanäle mit zusätzlicher Geräuschunterdrückung – Dolby A oder Dolby SR – hatte aber die gleiche unbefriedigende Kanaltrennung (von 3 dB) wie die Quadrophonie. Für den Heimgebrauch ohne Geräuschunterdrückung und unabhängig vom Tonträgermedium etablierte sich Dolby Stereo unter dem Namen Dolby Surround. Die vier Kanäle sind Front-Left, Front-Right, Center-C und ein Rear- oder Surround-Kanal, der als Effektkanal verwendet wurde.
Dolby Surround ist mit Mono kompatibel und bietet eine Downmix-Funktion mit der das Mischungsverhältnis der einzelnen Kanäle eingestellt werden können. Der Dolby Surround Encoder kodiert die beiden Kanäle Links L und Rechts R unverändert auf die Übertragungskanäle Lt und Rt. Kanal C wird auf beide Übertragungskanäle um 3 dB reduziert kodiert und der Surround-Kanal wird ebenfalls auf beide Übertragungskanäle um 3 dB reduziert um +/-90° phasenverschoben kodiert. Der Center-Lautsprecher hat die Aufgabe, ein Signal zu erzeugen, das in der Mitte der Stereobasis liegt – auch für Hörer außerhalb des Sweep Spots. So nimmt das gesamte Kinopublikum die Dialoge als von der Leinwand kommend wahr, um einen Auge-Ohr-Konflikt zu vermeiden.
Die Bandbreite des Surround-Kanals wird auf etwa 100 Hz bis 7 kHz begrenzt. Er gibt die Signalanteile mit gleicher Amplitude, aber phaseninvertiert ab. Der Hörer bekommt den Eindruck, dass die Lautsprecher weiter auseinander stehen. Der Klang der hinteren Lautsprecher wird zusätzlich um einen Wert zwischen 20 bis 150 ms verzögert und in der Intensität manipuliert. Laut Dolby dient die Verzögerung vor allem dazu, die Ankunftszeit von Lautsprechersignalen auf das Abstandsverhältnis zwischen Hörerposition und einem Frontlautsprecher bzw. Surround-Lautsprecher abzustimmen.
1987 wurde der Pro Logic-Decoder veröffentlicht, der über eine verbesserte Kanaltrennung verfügt. Das stabilere Surround-Panorama wurde durch eine sogenannten „Steering“-Funktion realisiert, die permanent die dominante Quellenursprungsrichtung berechnet und die entsprechenden Kanäle verstärkt. Die Nachfolger Pro Logic II und Pro Logic IIx brachten weitere Fortschritte bei der Kanaltrennung. Erreicht wurden diese durch eine bessere Technik, phasenstabilere Speicher- und Übertragungsmedien und spannungsgesteuerte Verstärker. Eine wahrgenommene Kanaltrennung von bis zu 40 dB, 5:2:5- und 6:2:6-Matrixing zur Kodierung von 3/2 und 3.1/2-Kanal Sound mit jeweils zwei Surround-Kanälen, die auf einen Bereich von 100 Hz bis 20 kHz begrenzt sind, wurden realisiert.
Da Dolby Surround mit Mono und Stereo kompatibel ist und über zwei Kanäle übertragen werden kann, hat es sich vor allem bei analogen Film Fernsehen als Standard durchgesetzt.
Diskreter Surround Sound
Die ITU (International Telecommunication Union) beschreibt mehrere Mehrkanal-Lautsprecherkonfigurationen. Die 5.1-Anordnung ist sicherlich die am weitesten verbreitete. Die Anordnung der fünf Lautsprecher ist ähnlich wie bei Dolby Surround, doch in diesem Fall haben die Surround-Lautsprecher ihre eigenen Kanäle, keine begrenzte Bandbreite und sie sind auf den Sweep Spot ausgerichtet. Ein Subwoofer befindet sich neben dem Center. Er hat eine begrenzte Bandbreite zwischen 3 und 120 Hz, um hör- und fühlbare Vibrationen hinzuzufügen.
Das 5.1-Setup beinhaltet auch das klassische Stereo-Dreieck, einen Center-Lautsprecher und zwei zusätzliche Real-Lautsprecher auf ca. +/-100 bis 120°. Kompatibel ist das 5.1-System wie z.B. Mehrkanal-Wave-Dateien, MP3 Surround, DVD-Audio und Super Audio CD (SACD).
Ein Format für das 5.1-Layout ist Dolby Digital, das 1991 als neues Filmformat veröffentlicht wurde. Da Dolby Digital ist der Lage war, Eingangssignale mit einer Abtasttiefe von bis zu 24 Bit und einer Abtastrate von bis zu 48 kHz zu verarbeiten, kam das Mehrkanal-Audiocodiersystem „Adaptive Transform Coder no. 3“ AC-3 zum Einsatz und brachte damit Dolby Digital auch in die Wohnzimmer.
Dieses psychoakustische Audioformat erlaubt Datenraten zwischen 32 und 640 kBit /s.
Weitere Dolby Digital-Formate
DTS Digital Surround
Wurde 1993 in den Filmen „Dr. Giggles“ und „Jurassic Park“ eingeführt. Hier wurde der Audioinhalt auf einer Reihe von synchronisierten CD-ROMs mitgeliefert. DTS verwendet in der Regel verlustfreies Audio und ist Teil der Spezifikation für die Laserdisk, DVD und Blu-Ray. Viele professionelle Hardware und auch Spielekonsolen unterstützen DTS Digital Surround und neuere verlustfreie und verlustbehaftete DTS-Codecs.
Immersive Audio-Systeme
In den letzten Jahren wurden die diskreten Surround-Systeme durch zusätzliche Kanäle erweitert. Dabei handelt es sich um eine zweite, erhöht platziertes Surround-Setup – einen sogenannten „Height-Layer“. Solche Systeme werden als „advanced multichannel sound system“ oder „immersive“ Audio bezeichnet. Auch hier bieten mehrere Unternehmen unterschiedliche Format für verschiedene Lautsprecherkonfigurationen an.
Quellen: Psychoakustische Schallfeldsynthese, Tim Ziener; Auditive Virtuelle Realität, Cornleius Ihssen; Sound System Engineering, Don und Carolyn Davis; Planung und Auslegung von Beschallungsanlagen, Ingenieurbüro für Beschallungstechnik (1994); Bau- und Raumakustik, W. Fasold/E. Sonntag/H. Winkler
Seit Thomas Edison am 6.12.1877 zum ersten Mal Ton aufnahm und auch abspielen konnte, wurde eine Vielzahl der verschiedensten Verfahren und Technologien entwickelt, um den Ton so naturgetreu wie nur eben möglich zu konservieren und abzuspielen.
Ein historischer Rückblick
| Technologie | Entstehung | Front-Kanäle | Rear-Kanäle | Overhead |
| Mono | 1877 | 1 | 0 | 0 |
| Stereo | ca. 1950 | 2 | 0 | 0 |
| Quadrophonie | ca. 1970 | 1 | 3 | 0 |
| 2 | 2 | 2 | ||
| Dolby-Surround | 1975 | 2 | 1 | 0 |
| 3 | 1 | 0 | ||
| 3 | 2 | 0 | ||
| 3.1 | 2 | 0 | ||
| Diskrete Surround Systme | ca. 1990 | 3.1 | 1. | 0 |
| 3.1 | 2 | 0 | ||
| 3.1 | 3. | 0 | ||
| 3.1 | 4. | 0 | ||
| 5.1 | 2. | 0 | ||
| Immersive Audio | ca. 2006 | 3.1 | 2 | 2 |
| 3.1 | 2 | 4 | ||
| 3.1 | 2 | 5 | ||
| 3.1 | 2 | 6 | ||
| 3.1 | 4 | 5 |
Es lässt sich leicht erkennen, dass die Fortschritte seit 1877 vor allem in einem breiteren Panorama und einer erhöhten Immersion wiederzufinden sind.
Mono Systeme
In den 1930er-Jahren stand nur die Mono-Audiotechnologie zur Verfügung. Räumliche Eigenschaften wurden und konnten nicht dargestellt werden. Auch kompositorische Informationen in Partituren waren in der Regel nur im geringen Maße räumlicher Natur. Sie enthielten Informationen über die Instrumentalisierung, Noten und Akkorde über die Zeit, sowie die Artikulation. Aus diesem Grund lag der Schwerpunkt bei Aufnahme und Wiedergabe nicht auf räumliche Gegebenheiten.
Stereo-Systeme
Zweikanal-Stereosysteme bieten viel mehr Anwendungsmöglichkeiten als bis dahin bekannte Mono-Systeme. Zwei identische Lautsprecher werden mit einem Abstand zueinander und einen definierten Abstand zum Zuhörer platziert. Es entsteht das sogenannte Stereo-Dreieck!
Relativer Amplituden- und Zeitversatz zwischen den Lautsprechersignalen wird als amplituden und zeitbasiertes Panning bezeichnet. Sie erzeugen Phantomschallquellen in einem Winkel zwischen den Lautsprechern und ein wenige darüber hinaus und funktioniert für Zuhörer, die sich auf der Verbindungslinie zwischen Mitte der Lautsprecherchassis und dem Sweep Spot befinden.
Für die exakte Platzierung und die Position des Hörers gibt es eine eigene DIN-Norm die DIN 15995.
Quadrophonie
Die Quadrophonie wurde in den 1960er und 1970er Jahren vor allem für Filmton und elektroakustische Musik eingesetzt., konnte aber nie einen kommerziellen Erfolg erzielen. Lediglich sein Matrix-System wurde in späteren Systemen implementiert. Es speichert die Informationen von vier Kanälen in zwei Kanälen, durch Überlagerung, und kann so vier Signale wiederherstellen. Dieser Ansatz wird in der Theorie als 4 : 2 : 4 Matrixing bezeichnet.
Dolby Stereo und Dolby Surround
Basierend auf der 4:2:4-Matrix der Quadrophonie wurde 1975 Dolby Stereo entwickelt. Zunächst nur für Kinos und Lichtspielhäuser. Es enthält vier Kanäle mit zusätzlicher Geräuschunterdrückung – Dolby A oder Dolby SR – hatte aber die gleiche unbefriedigende Kanaltrennung (von 3 dB) wie die Quadrophonie. Für den Heimgebrauch ohne Geräuschunterdrückung und unabhängig vom Tonträgermedium etablierte sich Dolby Stereo unter dem Namen Dolby Surround. Die vier Kanäle sind Front-Left, Front-Right, Center-C und ein Rear- oder Surround-Kanal, der als Effektkanal verwendet wurde.
Dolby Surround ist mit Mono kompatibel und bietet eine Downmix-Funktion mit der das Mischungsverhältnis der einzelnen Kanäle eingestellt werden können. Der Dolby Surround Encoder kodiert die beiden Kanäle Links L und Rechts R unverändert auf die Übertragungskanäle Lt und Rt. Kanal C wird auf beide Übertragungskanäle um 3 dB reduziert kodiert und der Surround-Kanal wird ebenfalls auf beide Übertragungskanäle um 3 dB reduziert um +/-90° phasenverschoben kodiert. Der Center-Lautsprecher hat die Aufgabe, ein Signal zu erzeugen, das in der Mitte der Stereobasis liegt – auch für Hörer außerhalb des Sweep Spots. So nimmt das gesamte Kinopublikum die Dialoge als von der Leinwand kommend wahr, um einen Auge-Ohr-Konflikt zu vermeiden.
Die Bandbreite des Surround-Kanals wird auf etwa 100 Hz bis 7 kHz begrenzt. Er gibt die Signalanteile mit gleicher Amplitude, aber phaseninvertiert ab. Der Hörer bekommt den Eindruck, dass die Lautsprecher weiter auseinander stehen. Der Klang der hinteren Lautsprecher wird zusätzlich um einen Wert zwischen 20 bis 150 ms verzögert und in der Intensität manipuliert. Laut Dolby dient die Verzögerung vor allem dazu, die Ankunftszeit von Lautsprechersignalen auf das Abstandsverhältnis zwischen Hörerposition und einem Frontlautsprecher bzw. Surround-Lautsprecher abzustimmen.
1987 wurde der Pro Logic-Decoder veröffentlicht, der über eine verbesserte Kanaltrennung verfügt. Das stabilere Surround-Panorama wurde durch eine sogenannten „Steering“-Funktion realisiert, die permanent die dominante Quellenursprungsrichtung berechnet und die entsprechenden Kanäle verstärkt. Die Nachfolger Pro Logic II und Pro Logic IIx brachten weitere Fortschritte bei der Kanaltrennung. Erreicht wurden diese durch eine bessere Technik, phasenstabilere Speicher- und Übertragungsmedien und spannungsgesteuerte Verstärker. Eine wahrgenommene Kanaltrennung von bis zu 40 dB, 5:2:5- und 6:2:6-Matrixing zur Kodierung von 3/2 und 3.1/2-Kanal Sound mit jeweils zwei Surround-Kanälen, die auf einen Bereich von 100 Hz bis 20 kHz begrenzt sind, wurden realisiert.
Da Dolby Surround mit Mono und Stereo kompatibel ist und über zwei Kanäle übertragen werden kann, hat es sich vor allem bei analogen Film Fernsehen als Standard durchgesetzt.
Diskreter Surround Sound
Die ITU (International Telecommunication Union) beschreibt mehrere Mehrkanal-Lautsprecherkonfigurationen. Die 5.1-Anordnung ist sicherlich die am weitesten verbreitete. Die Anordnung der fünf Lautsprecher ist ähnlich wie bei Dolby Surround, doch in diesem Fall haben die Surround-Lautsprecher ihre eigenen Kanäle, keine begrenzte Bandbreite und sie sind auf den Sweep Spot ausgerichtet. Ein Subwoofer befindet sich neben dem Center. Er hat eine begrenzte Bandbreite zwischen 3 und 120 Hz, um hör- und fühlbare Vibrationen hinzuzufügen.
Das 5.1-Setup beinhaltet auch das klassische Stereo-Dreieck, einen Center-Lautsprecher und zwei zusätzliche Real-Lautsprecher auf ca. +/-100 bis 120°. Kompatibel ist das 5.1-System wie z.B. Mehrkanal-Wave-Dateien, MP3 Surround, DVD-Audio und Super Audio CD (SACD).
Ein Format für das 5.1-Layout ist Dolby Digital, das 1991 als neues Filmformat veröffentlicht wurde. Da Dolby Digital ist der Lage war, Eingangssignale mit einer Abtasttiefe von bis zu 24 Bit und einer Abtastrate von bis zu 48 kHz zu verarbeiten, kam das Mehrkanal-Audiocodiersystem „Adaptive Transform Coder no. 3“ AC-3 zum Einsatz und brachte damit Dolby Digital auch in die Wohnzimmer.
Dieses psychoakustische Audioformat erlaubt Datenraten zwischen 32 und 640 kBit /s.
Weitere Dolby Digital-Formate
- Dolby E - Erweiterung auf 3.1/3 Kanäle und Distributions- und Produkts-Bitströme für die Übertragung von Programmen über einzelne Kanäle
- Dolby Digital live - Für Live-Konzerte und interaktives Sound-Imaging, z.B. für Videospiele. Encodiert 5.1-Sound in Echtzeit
- Dolby digital plus - Erweiterung auf bis zu 13.1 Kanäle zwischen 30 kBit und 6 Mbit pro Sekunde über HDMI-Anschluss
- Dolby True HD - Verlustfreie Codierung der Audiodaten mittels „Meridian Lossless Packing“ MLP, für DVD-Audio. Sampleraten bis zu 96 kHz sind möglich, Datenraten bis zu 18 Kbit/s erlauben bis zu 20 Kanäle
- Dolby mobil - Bei Mobiltelefonen sind (Vor-)Einstellungen der Benutzer möglich, z.B. in Bezug auf Räumlichkeit, Lautstärke, Spektrum etc.
DTS Digital Surround
Wurde 1993 in den Filmen „Dr. Giggles“ und „Jurassic Park“ eingeführt. Hier wurde der Audioinhalt auf einer Reihe von synchronisierten CD-ROMs mitgeliefert. DTS verwendet in der Regel verlustfreies Audio und ist Teil der Spezifikation für die Laserdisk, DVD und Blu-Ray. Viele professionelle Hardware und auch Spielekonsolen unterstützen DTS Digital Surround und neuere verlustfreie und verlustbehaftete DTS-Codecs.
Immersive Audio-Systeme
In den letzten Jahren wurden die diskreten Surround-Systeme durch zusätzliche Kanäle erweitert. Dabei handelt es sich um eine zweite, erhöht platziertes Surround-Setup – einen sogenannten „Height-Layer“. Solche Systeme werden als „advanced multichannel sound system“ oder „immersive“ Audio bezeichnet. Auch hier bieten mehrere Unternehmen unterschiedliche Format für verschiedene Lautsprecherkonfigurationen an.
Quellen: Psychoakustische Schallfeldsynthese, Tim Ziener; Auditive Virtuelle Realität, Cornleius Ihssen; Sound System Engineering, Don und Carolyn Davis; Planung und Auslegung von Beschallungsanlagen, Ingenieurbüro für Beschallungstechnik (1994); Bau- und Raumakustik, W. Fasold/E. Sonntag/H. Winkler