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Fachwissen über Dolby-B für Cassettenrecorder

von Gert Redlich im März 2017 - Dieser Artikel aus der Funk-Technik vom Februar 1973 (Heft 02) ist natürlich von zwei Dolby Labor-Mitarbeitern ausgearbeitet und nur ins Deutsche übersetzt. Auf der einen Seite hat das den Vorteil, daß diese Mitarbeiter ziemlich genau wissen, wovon sie reden, es hat aber auch den Nachteil, daß sie die Schwächen oder Macken geflissentlich unter den Tisch zu kehren.

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Das Dolby B-System • Grundbegriffe und Anwendungsbereiche

Robert Berkovitz ist Leiter der Informationsabteilung und Kenneth Gundry, M. A., Entwicklungsingenieur - beide bei Dolby Laboratories Inc., London, England.

1. Das Problem des Rauschens in der Unterhaltungselektronik

Bild 1. a) Nach DIN bewertetes Rauschspektrum eines Low-Noise-Eisenoxid-Cassetten- Tonbandes
Bild 1. b) Nach DIN bewertetes Rauschspektrum desselben Bandes bei Anwendung des Dolby B-System

Ein unzulänglicher Signal-Rausch-Abstand war bisher immer noch das größte Hindernis für gute Klangqualität in der Unterhaltungselektronik. Das trifft wegen der geringen Bandgeschwindigkeit und Spurbreite besonders für Cassetten-Recorder sowie für UKW-Stereo-Übertragungen und in geringerem Maße auch für Schallplattenübertragungen zu. Die Aussicht, daß neue verbesserte Magnetbänder das Problem des Rauschens lösen würden, wird durch Forschungsergebnisse widerlegt, denen zufolge die neuesten Bandtypen wahrscheinlich den niedrigsten theoretisch möglichen Rauschpegel erreicht haben.

So ist es nicht verwunderlich, daß in den letzten Jahren zahlreiche Versuche unternommen wurden, eine zufriedenstellende Rauschverminderung zu erreichen, und zwar sowohl auf professionellem Gebiet als auch für die Unterhaltungselektronik.

Über die Nachteile (der Anderen)

Fast alle diese Methoden zeigten jedoch deutliche Nachteile. Einseitig arbeitende Systeme, die nur für Wiedergabe eingesetzt werden, erfüllen nur dann ihren Zweck, wenn der Zuhörer gewillt ist, auf einen Teil der musikalischen Information zu verzichten.

Grundsätzlich wird bei diesen Systemen vorausgesetzt, daß Nutzsignal und Störsignal in getrennten Bereichen liegen. Zur Erreichung einer Rauschverminderung müßte dann lediglich eine Trennlinie zwischen diesen Bereichen (nach Frequenzen und/oder Pegeln) festgelegt und eine Schaltung entwickelt werden, die alles, das auf der Seite des Rauschens liegt, unterdrückt.

Das Rauschspektrum

Bei genauerer Betrachtung des Rauschspektrums einer Low-Noise-Eisenoxid-Cassette (Bild 1) läßt sich jedoch deutlich feststellen, daß das Rauschen, mit einem DIN-Bewertungsfilter gemessen, besonders im Bereich von 1 bis 4 kHz auftritt. Da in diesem Frequenzbereich die niedrigeren Oberwellen und die oberen Grundtöne der Musik liegen, kann hier das Rauschen selbst bei niedrigen Pegeln nicht ohne gleichzeitigen Informationsverlust unterdrückt werden.

Wird aber das Rauschen in diesem Bereich nicht vermindert, so ist die zu erreichende subjektive Verbesserung des Klangbildes nur minimal.

Komplementäre Systeme

Komplementäre Systeme, die eine Signalbearbeitung sowohl bei der Aufnahme als auch bei der Wiedergabe vornehmen, bieten dagegen theoretisch bessere Möglichkeiten, können aber in der Praxis problematisch sein.

Die Methode der Pre- und Deemphasis beispielsweise, bei der hohe Frequenzen während der Aufnahme angehoben und während der Wiedergabe abgesenkt werden, bietet nur begrenzte Vorteile.

Selbst beim UKW-Rundfunk, bei dem Pre- und Deemphasis als Mittel zur Rauschverminderung genormt worden sind, zweifelt man an der Nützlichkeit dieser Methode und fragt sich, ob es in Zukunft weiterhin angewendet werden soll.
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Bild 2. In Europa (50us) und den USA (75us) angewandte UKW-Entzerrung (Preemphasis)

Moderne Mikrofone und Aufnahmegeräte geben hohe Frequenzen so gut wieder, daß Rundfunkanstalten heute gezwungen sind, Begrenzer einzusetzen, um bei angemessenen Pegeln im mittleren und tieferen Frequenzbereich Übersteuerungen zu vermeiden.
(Bild 2).

Außerdem ist es schwierig, bei der Tonbandaufnahme mit Preemphasis zu arbeiten, da Verzerrungen im oberen Frequenzbereich schon bei niedrigeren Pegeln einsetzen. Da hohe Frequenzen bei Aufnahmen mit Cassetten-Recordern sowieso einige Schwierigkeiten bereiten, dürfte eine zusätzliche Preemphasis diese Probleme noch akzentuieren.

Die bessere Lösung

Der Kompander, ein System, bei dem die Dynamik während der Aufnahme komprimiert und während der Wiedergabe expandiert wird, stellt eine bessere Lösung dar. Ein einfacher Kompander jedoch, wie exakt er auch in seiner Wirkungsweise sein mag, verursacht ebenfalls Probleme.

Bei Tonbandaufnahmen oder beim Rundfunk ist Überschwingen eine der ernsthafteren Schwierigkeiten, die mit diesem System verbunden sind. Das kann unter Umständen dazu führen, daß die zulässigen Modulationswerte des Senders überschritten werden.

Die Rauschmodulation

Bild 3. Übertragungskennlinien zweier herkömmlicher Kompander; a) mit konstanter Kompression,
b) mit nur bei höheren Frequenzen wirksamer Kompression

Schwerwiegender vom Standpunkt des Hörers ist jedoch die Rauschmodulation. Wie Bild 3 zeigt, beruht die Rausch- verminderung eines herkömmlichen Breitband-Kompanders allein auf der Dynamik. Leise Passagen werden bei höherem Pegel aufgenommen als normal und bei abgeschwächtem Pegel wiedergegeben, wobei die ehemalige Dynamik wiederhergestellt und zugleich das Rauschen vermindert wird.

Während lauter Passagen findet keine Rauschverminderung statt, da eine Erhöhung des Aufnahmepegels an diesen Stellen zu Übersteuerungen führen würde; man geht also davon aus, daß Rauschen bei hohen Pegeln immer verdeckt wird, was jedoch nicht immer zutrifft.

So ist beispielsweise während eines lauten Baßtrommelschlags immer noch Bandrauschen hörbar, und bestimmte Instrumente verursachen Rauschmodulation, wobei mit jedem Ton für die Dauer dieses Tons ein zischendes Geräusch auftritt. Obwohl Rauschmodulation nicht bei allen Arten von Übertragungen hörbar ist, sind der Anwendung eines Kompanders dadurch doch Grenzen gesetzt.

Die Betrachtung der Anforderungen

Das unterschiedliche Angebot an Programmen und die Qualität heutiger Tonbandaufnahmen stellen an ein zuverlässiges Rauschverminderungssystem auch für nichtprofessionelle Anwendung bestimmte Anforderungen. Man muß dabei in Betracht ziehen, daß viele dieser Anlagen heute sehr niedrige Klirrgrade bei großer Bandbreite haben und so jede hörbare Nebenwirkung aufdecken, die vielleicht früher unbemerkt geblieben wäre.

Über die Qualität

Das Programm muß deshalb ohne irgendwelche durch Rauschverminderung verursachte Klangveränderungen exakt wiedergegeben werden.

Eine exakte Wiedergabe sollte für verschiedene Programme keine ständig unterschiedlichen Einstellungen der Systemparameter erfordern, und Größe oder Preis des Systems sollten den Anforderungen der Verbraucher angemessen sein. Darüber hinaus sollte das System von der Praxis her gesehen weder Änderungen in der derzeitigen professionellen Tontechnik erforderlich machen, noch sollte seine Wirksamkeit von den in Studios allgemein gebräuchlichen Arbeitsmethoden abhängig sein.

2. Wirkungsweise des Dolby B-Systems

Das Dolby B-System ist ein Kompander besonderer Art, bei dem die üblichen Nachteile der Kompander nicht auftreten. Es arbeitet nach dem gleichen Prinzip wie das professionelle Dolby A-System, ist jedoch weniger aufwendig und kompliziert.

Das Prinzip des B-Systems beruht auf beiderseitiger Kompression und Expansion bei leisen Passagen in einem Frequenzbereich, dessen Bandbreite sich signalabhängig verschiebt.

Die Systemparameter sind pegel- und frequenzabhängig und verändern sich automatisch so, daß das System den natürlichen Verdeckungseffekt während der Wiedergabe ergänzt. Ein Blockschaltbild des Dolby B-Systems ist im Bild 4 dargestellt.

Bild 4. Blockschaltbild der Dolby B-Schaltung

Die Schaltungen sind komplett symmetrisch

Die Schaltungen, die zur Kompression (während Aufnahme und Übertragung) und Expansion (bei Wiedergabe oder Empfang) benutzt werden, stimmen genau überein und können als die gleiche Schaltung betrachtet werden, die in die eine oder andere Funktion umgeschaltet wird. Das Eingangssignal wird durch zwei unterschiedliche Schaltwege geführt. Das Signal durchläuft den einen ohne jegliche Veränderung der Amplitude oder der Phase. Der zweite enthält eine Schaltung, die nur jenen Teil eines Programms durchläßt, der durch Rauschen beeinflußt werden kann.

Meist Rauschstörungen oberhalb 500 Hz

In Aufnahmen mit geringer Bandgeschwindigkeit und in der herkömmlichen UKW-Übertragung treten Rauschstörungen hauptsächlich in dem Bereich oberhalb 500 Hz auf und nur bei niedrigen Pegeln. Der Ausgang des zweiten Schaltungszweiges entspricht deshalb diesen Gegebenheiten. Die Schaltung hat außerdem wichtige dynamische Eigenschaften, die später besprochen werden.

Beide Schaltungszweige führen zu einem Additionsverstärker. Bei der Aufnahme werden das unveränderte Eingangssignal und der Ausgang des Nebenzweigs addiert, bei der Wiedergabe wird der Ausgang des Nebenzweigs vom Eingangssignal subtrahiert. Der Ausgang des Nebenzweigs wird für eine Vorwärtsregelung während der Aufnahme benutzt; während der Wiedergabe bildet der Nebenzweig eine Gegenkopplung. Da bei Aufnahme und Wiedergabe dieselbe Schaltung verwendet wird, ist eine komplementäre Anordnung gewährleistet und das Nutzsignal kann in seiner ursprünglichen Form wiedergewonnen werden.

Dem Nebenzweig der Schaltung kommt besondere Bedeutung zu, denn er verhindert das Auftreten von Rauschmodulation, Überschwingen oder anderen hörbaren Nebeneffekten.

Über die Wirkung verschiedener Signal-Pegel

Bild 5. Kennlinien der Aufnahmeschaltung bei unterschiedlichen Eingangspegeln

Bild 5 zeigt den Frequenzgang der Gesamtschaltung für sinusförmige Eingangssignale verschiedener Pegel. Es ist zu ersehen, daß die Schaltung beinahe wirkungslos ist, wenn der Pegel über -10dB liegt, und daß die Schaltung erst dann in vollem Ausmaß zur Wirkung kommt, wenn der Pegel bis auf -40dB heruntergeht.

Daher kann das Tonband durch die Kompression auf keinen Fall bei hohen Frequenzen übersteuert werden, und die durch die Kompression verursachte subjektive Veränderung des Signals ist gering, wenn auch bemerkbar. Auch ist festzustellen, daß die Schaltung nur in den Bereichen des Spektrums, in denen das Rauschen stört, das heißt bei mittleren und hohen Frequenzen, arbeitet, so daß Pegelveränderungen niedriger Frequenzen die Wirksamkeit der Schaltung nicht beeinträchtigen und so eine der Hauptursachen für Rauschmodulation beseitigt ist.

Die automatische Anpassung bei Dolby B

Eine wichtige Eigenschaft der Dolby B-Schaltung ist die automatische Anpassung (Einengung) der Bandbreite an das jeweilige Spektrum des Signals.
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Bild 6. Frequenzgang der Aufnahmeschaltung bei niedrigen Pegeln

Ohne Rauschverminderung könnte ein lauter 500-Hz-Ton beispielsweise das Rauschen zwar zum großen Teil überdecken, aber ein anspruchsvoller Hörer könnte doch noch Störgeräusche im oberen Frequenzbereich wahrnehmen. Deshalb wird ein solches Signal, wie im Bild 6 dargestellt, die B-Schaltung nicht unwirksam machen, sondern nur die untere Grenzfrequenz ihres Wirkungsbereichs auf etwa 1 kHz anheben.

Der Arbeitsbereich der Schaltung wird also in der Bandbreite genügend nach oben verschoben, um zu vermeiden, daß möglicherweise bei der Aufnahme laute Signale stark angehoben werden, was dann zu Übersteuerungen führen würde. Die mit dem Dolby B-System erreichbare Rauschverminderung beginnt bei etwa 500 Hz und beträgt insgesamt 9...10dB (DIN 45.405).
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Je schlechter das Bandgerät, desto besser mit Dolby . . .

ist eigentlich die Kernaussage hier - Ende der Anmerkung !)

Auf Grund seiner Charakteristik eignet sich das System besonders für Cassetten-Recorder (Compact- und 8-Spur-Endlos-Cassette) oder Spulengeräte mit 9,5 und 19 cm/s Geschwindigkeit.

Es ermöglicht außerdem eine wesentliche Verbesserung des Rauschpegels bei UKW-Stereo-Übertragung. Kompressions- und Expansionskennlinien des Dolby B-Systems sind mit Bezug auf einen spezifischen, international genormten Pegel festgelegt.

Für Compact-Cassettenband ist als Bezugspegel ein Bandfluß von 200 nWb/m festgelegt; für UKW-Übertragung entspricht der Dolby-Pegel ±37,5kHz Frequenzhub.
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Die charakteristischen Eigenschaften

des Dolby B-Systems sind folgende:
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  • - Theoretisch werden Frequenzgang, Phasengang, Einschwingvorgänge und Dynamik des Signals perfekt wiederhergestellt. In der Praxis kann dieser Idealzustand mit jeder gewünschten Genauigkeit realisiert werden. Dolby B-Schaltungen verursachen wesentlich geringere Verzerrungen als die eigentlichen Tonbandgeräte und Empfänger, und jedes Programm kann ohne Qualitätsverluste aufgenommen und wiedergegeben werden.
  • - Die Schaltung ist unkompliziert und preisgünstig sowohl in der Ausführung mit diskreten Bauelementen als auch in der mit einer integrierten Schaltung (Bild 7).
  • - Die Herstellung und der Einsatz der Schaltung bereiten keine Schwierigkeiten, da keine kritischen Bauelemente verwendet werden und kein Abgleich erforderlich ist. Nur wenn ein Tonband mit völlig unterschiedlicher Empfindlichkeit benutzt wird, ist ein einfacher Abgleich der Pegel notwendig.
  • - Weder beim Rundfunk noch beim Kopieren von Tonbändern sind Abänderungen vom normalen Ablauf erforderlich, wenn mit dem Dolby-System gearbeitet wird. Der Einsatz eines Rauschverminderungssystems bewirkt jedoch oft eine bessere Bandbreite und Dynamik sowie Verringerung der Verzerrungen infolge niedrigerer Aussteuerung.

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Forderung : Alle auf der Welt "müssen" Dolby-B haben !

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  • Anmerkung : Jetzt kommt der eigentliche Promotion Teil der beiden Dolby Mitarbeiter.

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Bei einer Verbesserung eines so weit verbreiteten Systems wie dem der Compact-Cassetten, ist es unerläßlich, daß eine Neuentwicklung mit bereits existierenden Geräten voll kompatibel ist, das heißt, technisch verbesserte Aufnahmen müssen mit jedem Gerät älteren Datums abspielbar sein. Das trifft bei den Dolby B-Cassetten zu.

Man kann sie auch insofern als kompatibel bezeichnen als sie den Hörer zufriedenstellen, auch wenn sie ohne entsprechenden Dolby-Decoder abgespielt werden müssen. Gerade in dieser Hinsicht ist das in der B-Schaltung angewandte Verfahren besonders vorteilhaft. Bei vielen preisgünstigen Cassetten-Recordern ist die Wiedergabe der hohen Frequenzen oft recht mangelhaft, und die Akzentuierung der hohen Frequenzen bei niedrigen Pegeln in einer Dolby B-Cassette wird deshalb von Besitzern dieser Geräte oft begrüßt.
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Die Kompatibilität von Dolby-B Aufnahmen

Hochwertige Cassetten-Recorder oder die entsprechenden Anlagen, an die sie angeschlossen werden, haben Höhenregler, mit denen das Klangbild dem Geschmack des Hörers mühelos angeglichen werden kann. Der subjektive Unterschied ist so klein, daß keine der Schallplattengesellschaften, die Dolby B-Cassetten herstellen, es erforderlich fand, auch herkömmliche Cassetten mit den gleichen Programmen anzubieten, und Marketingtests zeigten, daß Dolby B-Cassetten, die nicht als solche ausgezeichnet waren, vom Verbraucher ohne weiteres akzeptiert wurden.

Ein Grund dafür, daß die Kompatibilität keine Schwierigkeiten bereitet, ist vielleicht darin zu suchen, daß fast alle Aufnahmen für Compact-Cassetten ohnehin komprimiert sind, denn nur so bleiben leise Passagen in Musikprogrammen, die gute Dynamik aufweisen, erhalten. Dolby B-Cassetten unterscheiden sich nur dadurch, daß der Hörer diese spezielle Kompression mit seinem Abspielgerät kompensieren kann, da die Dolby B-Kompression nach einer internationalen Norm festgelegt ist, während andere Arten von Kompression recht unterschiedlich sind.

Wenn auch die Kompatibilität vom Standpunkt des Verbrauchers aus wichtig ist, kommt der technischen Kompatibilität des B-Systems mit dem Übertragungsmedium selbst gleich große Bedeutung zu. So sollte zum Beispiel das Überschwingen bei Pegelsprüngen niedrig genug sein, um Übersteuerungen oder Verzerrungen zu vermeiden.
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Bild 8. Wirkung der Dolby B-Schaltung auf 3-kHz-Impulse (Pegelsprung von -40 auf +6dB); links: Eingangssignal, Mitte: codiertes Signal, rechts decodiertes Signal

Bild 8 zeigt das Ergebnis des Codierens und Decodierens von kurzen 3-kHz-Impulsen mit Pegelsprüngen von -40 auf +6dB. Überschwingen, das nur im Nebenzweig der Schaltung auftreten kann (in welchem es ohne Auswirkung auf das Hauptsignal unterdrückt wird), ist vergleichsweise gering und verschwindet praktisch, wenn das Signal wieder decodiert wird.
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Und endlich steht hier, was es kostet !!!!!!

Die beiden Autoren schreiben weiter :
Innerhalb weniger Jahre nach der Einführung des Dolby B-Systems sind Lizenzen an die meisten Gerätehersteller vergeben worden. Lizenzgebühren für den Einbau der Schaltung in ein Cassettengerät nehmen mit zunehmendem Produktionsumfang ab; sie liegen etwa zwischen 1,60 und 0,32 D-Mark je (Anmerkung : Dolby-B Mono-) Schaltung, für einen der größeren Gerätehersteller also bei 0,65 DM für ein Stereo-Gerät (Anmerkung : mit zwei Dolby-B Schaltungen).

Darüber hinaus ist heute die Mehrzahl der in den Vereinigten Staaten, England und Japan hergestellten bespielten Cassetten nach dem Dolby B-System aufgenommen, und viele der größten Hersteller liefern ihr gesamtes Angebot in dieser Form. Dazu gehören CBS in den USA, Decco und RCA in England sowie CBS-Sony, Nippon Columbia, King und Apollon in Japan.

  • Anmerkung : Kein Wort über Deutschland-West und den Ostblock. Zumindest dort hinter dem eisernen Vorhang wurde geklaut, was das Zeug hielt.


Nach dem Dolby B-System bespielte Spulenbänder und 8-Spur-Endlos- Cassetten sind ebenfalls auf dem Markt. In den USA haben mehrere UKW-Sender damit begonnen, Programme im Dolby B-Format auszustrahlen, und Rundfunkanstalten in mehreren anderen Ländern studieren das Verfahren im Augenblick.

Für das Codieren von Cassetten oder anderen Tonbandformaten oder für Rundfunksendungen sind keine Lizenzgebühren zu zahlen. Die Schaltungstechnik des Dolby B-Systems wird in einem späteren Beitrag behandelt.

So weit der Artikel von den beiden Dolby-Mitarbeiter im Frühjahr 1973.
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