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Ray Dolby und sein Kampf gegen das Rauschen

Der junge Ray Dolby 1956

von Gert Redlich im März 2917 - Der Amerikaner Ray Dolby hatte eigentlich bei Ampex in Californiern in dem damals hypermodernen Video-Tema angefangen - während er noch studierte. Zu dem ersten AMPX 2" Videorecorder (der VR 1000) hatte er eine Menge guter und vor allem wichtiger Ideen beigetragen - wie gesagt als Student !! Das war alles noch vor 1956, als die Videoband Technology noch ein Buch mit sieben Siegeln war.

Später hatte er sein (zeitweise unterbrochenes) Studium dann doch noch fortgesetzt und sich danach um eine Methode zur Erhöhung des Dynamikbereiches bei (den analogen Ampex-) Tonbandmaschinen gekümmert. Das resultierte in dem patentierten DOLBY Rauschunterdrückungsverfahren.

Bei den großen "Open-Reel"- Bandmaschinen war das noch nicht so extrem wichtig wie bei den CC-Kassetengeräten. Denn auf diesen dünnen bzw. schmalen Spuren war so wenig an Information gespeichert, daß der Rauschanteil extrem hoch war und Dolby hievte diese Technik erst in den HifiBereich.
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Doch auch bei DOLBY gab es kein Licht ohne Schatten.

Eine externe TEAC AN-180 Dolby Unit

Die weltweiten Magnetbandgeräte-Hersteller wollten sich anfangs nicht auf ein einheitliches System einigen und viele wollten auch keine Lizenzentgelte an Ray Dolby zahlen, vor allem Max Grundig nicht. Der hielt alle Linzenzgeber wie Telefunken (3-Motoren Patent) und Ray Dolby für Abzocker und Verbrecher.

Wie funktioniert das DOLBY System nun und wo liegen die Schwächen ?
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Aus der "stereoplay" 11/1982 - Kapitel Technik :
"Immer mit der Ruhe"

Nur hohe Pegel kommen ungeschoren durch Kompressor und Expander, leise Passagen werden bei der Aufnahme kräftig angehoben und beim Abspielen wieder abgesenkt (oben).
Bei lauten Passagen kommt so auch das Rauschen voll durch, der Verdeckungseffekt im Ohr muß es vertuschen (Mitte).
Nur bei leisen Stellen wird das Rauschen mit abgesenkt (unten)

Dolby verringert Bandrauschen, heißt es. In Wirklichkeit dreht es dem Rauschen nur den Hals zu und führt obendrein das Ohr hinters Licht.

Wie kommt es, daß es mal funktioniert und mal nicht ?

Die harmlos klingende Frage hätte in einem Quiz für HiFi-Fortgeschrittene sicher eine gute Figur gemacht. Sie hätte sogar manchen Fachmann vor arge Probleme gestellt, weil sie zunächst ganz alltägliche, aber falsche Antworten nahelegt. Auch einige stereo-player hatten eine Weile daran zu nagen: Wie kommt es, daß ohne Dolby bespielte Cassetten von einem Freund auf dem eigenen Recorder einwandfrei klingen, Cassetten mit Dolby aber Höhen fehlen? Und das, obwohl es an beiden beteiligten Recordern während der Aufnahme - hinter Band abgehört - weder mit noch ohne Dolby je etwas zu kritisieren gab?

Beim Einmessen verkehrt eingestellte Knöpfe für Bias und Dolby-Pegel konnten also nicht die Ursache sein. Denn das hätte sich gleich bei der Hinterbandkontrolle während der Aufnahme bemerkbar gemacht. Und eine von der Norm abweichende oder zumindest unterschiedliche Entzerrung der Recorder kam ebensowenig in Frage wie schiefstehende Tonköpfe, denn ohne Dolby klappte der Cassettentausch ja astrein.

Wie funktioniert das mit dem DOLBY ?

Wer sich mit der von Dr. Ray M. Dolby im April 1967 vorgestellten Rauschunterdrückungs- schaltung näher beschäftigt, kommt dem Fehler aber schnell auf die Spur. Die relativ einfache Dolby-B-Schaltung fußt auf Erfahrungen der Londoner Dolby-Laboratories (Anmerkung : Ray Dolby war nach England ausgewandert!!!) mit dem professionellen Dolby-A, bei dem sich eigentlich "vier kleine Dolbylein" über verschiedene Frequenzbereiche hermachen.
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Über die Eigentümlichkeit des menschlichen Gehörs

Wie alle anderen Kompander kann auch die Dolbysche Schaltung nicht ohne eine Eigentümlichkeit des menschlichen Gehörs funktionieren, den Verdeckungseffekt: Lauter Radau macht das Ohr taub für gleichzeitige leise Töne - zumindest im benachbarten Frequenzbereich. Das Ticken des Weckers stört nur in der Stille der Nacht, tagsüber versteckt es sich hinter Umweltgeräuschen.

Ganz ähnlich hat sich bei einem Cassettenrecorder noch niemand am Bandrauschen während der Fortissimostellen gestört, den hohen Amplituden also, sondern nur bei leisen Passagen.

Also bietet sich folgender Trick an: Eine Automatik „dreht" bei der Aufnahme leiser Stellen die Aussteuerung etwas weiter auf und bei der anschließenden Wiedergabe im selben Maß den Ausgangspegel zurück. Und verringert damit gezielt in jenen Momenten, in denen es stören würde, auch das Bandrauschen.
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Der Kompander

Diese Schaltung in den Aufsprech- und Wiedergabeverstärkern heißt Kompander - zusammengezogen aus Kompressor und Expander. Weil bei der Aufnahme nur die leisen Passagen (aber exakt definiert) angehoben werden, kann man auch tatsächlich sagen, daß die Dynamik, der Abstand zwischen der lautesten und der leisesten Stelle, komprimiert und beim Abspielen wieder auseinandergezogen, also expandiert wird.

Von der Vielzahl der Kompander (auch Rauschunterdrückungssysteme genannt) unterscheidet sich Dolby B durch eine Reihe von Besonderheiten, die am überragenden Erfolg der Einrichtung sicher nicht ganz unbeteiligt sind.

Ein Trick hält die Rauschmodulation in Grenzen.

Zackige Kurve: Pegeldiagramm eines Musikstücks, in dem sich laute, mittlere und leise Passagen abwechseln
Geht auf Distanz: Dank der komprimierten Dynamik berühren die leisen Passagen nicht das Bandrauschen
Alles wieder gut: Die Originaldynamik ist wiederhergestellt, das Rauschen schwankt im Takt der Musik

Weil tieffrequentes Rauschen dem Ohr kaum zur Last fällt, beschränkt sich beispielsweise der Wirkungsbereich von Dolby B auf mittlere und hohe Frequenzen.

Tiefe Frequenzen bleiben also von dem Anhebungs-Absenkungs-Spiel verschont (Bild Seite 44), was den schaltungstechnischen Aufwand kleinhält und letztlich dem Geldbeutel guttut.

Das bedeutet aber nicht, daß Dolby B auf tiefe Töne nicht reagieren würde. Nur interessiert sich die Schaltung nicht für die Amplitude, sondern für die Frequenz der Baßanteile. Und die Wirkung zeigt sich weniger im (auf Mitten und Höhen beschränkten) Kompressions-Hub, als vielmehr in einer Verschiebung der Grenze zwischen den von der Dolby-Schaltung gerade noch bearbeiteten Mitten und den unbehelligten Bässen (Bild unten).

Mit diesem Trick hält Dolby die Rauschmodulation, also eine hörbare Änderung des Rauschpegels durch Musiksignale, klein. (Nicht zu verwechseln mit dem Modulationsrauschen, einem Rauschanteil, der erst durch Musiksignale hervorgerufen wird, siehe stereoplay 1/1982)
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Beispiele

Würde also die Dolby-Schaltung (was sie zum Glück nicht tut) tiefe Paukenschläge ganz simpel als laute Passagen ansehen und bei ihrem Abklingen während der Aufnahme den Pegel kontinuierlich aufdrehen, müßte bei der Wiedergabe die Lautstärke entsprechend zurückgenommen werden.

Damit würde auch das im mittleren und oberen Frequenzbereich anfallende Bandrauschen im Takt der Paukenschläge an- und abschwellen, also moduliert werden. Und genau daran würde sich das Ohr stören. Denn laute tiefe Töne machen es nicht unempfindlich für hohe Frequenzen; der Verdeckungseffekt bleibt auf den benachbarten, tiefen Frequenzbereich beschränkt.

Über den Rauschpump-Effekt

Dolby-B vermeidet diesen Rauschpump-Effekt, indem der Frequenzbereich, in dem der Kompander wirkt, immer nahtlos anschließt an jenes Gebiet, in dem der Verdeckungseffekt im Ohr quasi als Rauschunterdrücker wirkt. Stünde die Bandbreite des Kompanders fest, würde bei sehr tieffrequenten Tönen eine Lücke klaffen, in der Rauschen hörbar würde, und bei höheren Baßlagen Rauschmodulation auftreten.

Weitere psychoakustische Tricks

Aber damit ist die Dolby-Trickkiste noch nicht leer. Unter ihrem doppelten Boden steckt noch jede Menge Know-how darüber, wie schnell die Regelschaltungen wann die Verstärkung auf- und zudrehen müssen. Reagieren sie zu schnell, können Verzerrungen entstehen, während langsames Reagieren zu Überschwingern des komprimierten Signals führt und damit das Band übersteuert. Denn bei leisen Passagen ist ja die Verstärkung weit aufgedreht - zu weit für plötzliche Fortissimoeinsätze. Und während der Kompressor eilig die Aussteuerung zurücknimmt, kann es schon passiert sein.

Nur wenn die ganze Fülle dieser Regelvorgänge bei Aufnahme und Wiedergabe exakt spiegelbildlich zueinander verläuft, wird das Originalsignal mit intaktem Frequenz- und Phasengang, einwandfreien Einschwingvorgängen und richtiger Dynamik wieder hörbar. Das ist in der Theorie kein Problem.
Aber in der Praxis.

Bandgeräte bringen nämlich immer ihren eigenen, individuellen Frequenzgang mit, Kopfspiegelresonanzen und Höhenabfall gaukeln dem Kompander bei der Wiedergabe etwas anderes vor, als dieser während der Aufnahme dem Band anvertraute. Und weil der Kompander im Dolby B sich an die Aufnahme nicht mehr erinnern kann, muß er allein aus den auf Band gespeicherten Pegeln schließen, was er zu tun hat. Ob und wie stark und in welchem Frequenzbereich er absenken muß.

Wenn die Recorderfehler das Dolby verwirren

Das führt dazu, daß sich Recorderfehler mit Dolby geradezu multiplizieren. Gehen via Band etwa Höhen verloren, glaubt die Dolby-Schaltung, eine ursprünglich entsprechend leiser gespielte Passage vor sich zu haben, was zwangsläufig zu einer kräftigeren Absenkung führt, als es bei geradem Frequenzgang der Fall wäre. Denn leise Stellen werden nachdrücklicher angehoben und wieder abgesenkt als lautere. Die Höhen saufen folglich noch mehr ab.

Der Einfluß von unterschiedlichen Bändern

Wenn der Hersteller Mist baut, merkt das der Käufer oft zu spät. Einen noch größeren Einfluß auf das Geschehen haben aber Bänder mit unterschiedlicher Empfindlichkeit. Je empfindlicher ein Bandtyp ausfällt, um so größer wird die Magnetisierung, also quasi die Lautstärke auf dem Band, bei einem gegebenen Aufsprechpegel und umgekehrt.

Frequenzgangfehler sind die Folge (Bild). Bei guten Recordern verhindert dies allerdings der Dolby-Pegelregler. Er arbeitet zwischen Kompressor und Aufsprechkopf und gleicht unterschiedliche Bandempfindlichkeiten aus.

Die DOLBY Aufnahme muß "ausgepegelt" werden

Trick 1: Je nach Eingangspegel ändert Dolby B seinen Frequenzgang
Trick 2: Je nach Frequenz der Bässe ändert Dolby B die Bandbreite

Und hier zeichnet sich eine Klärung des Cassettentausch-Problems ab. Denn neben diesem Pegelregler, der sich per Drehknopf auf der Frontplatte den Befehlen der Außenwelt unterwirft, sitzt im Geräteinnern noch ein zweiter, und zwar zwischen Wiedergabekopf und Expander.

Er soll sicherstellen, daß unabhängig vom eingebauten Tonkopf und von Verstärkertoleranzen ein bestimmter Pegel auf dem Band auch mit dem richtigen Pegel bei der Dolby-Schaltung ankommt. Sonst würde der Expander über die tatsächlichen Lautstärkeverhältnisse im dunkeln tappen und verkehrt reagieren. Dieser Regler wird im Werk mit dem Dolby-Pegel einer Meßcassette genau eingestellt und dann mit einem Tropfen Lack gesichert.

Zumindest sollte es so sein. Macht der Hersteller Mist, merkt das der Käufer nicht sofort, denn mit dem Pegelregler auf der Frontplatte kompensiert er neben Bandtoleranzen auch unbemerkt diesen Einstellfehler.

Wenn dann doch Probleme auftauchen

Probleme treten erst auf, wenn die bespielte Cassette einem anderen Recorder verabreicht wird, der korrekt justiert wurde. Der Expander, der dort Dienst tut, gewinnt jetzt zwangsläufig den Eindruck einer größeren oder kleineren Lautstärke, als sie bei der ursprünglichen Aufnahme gegeben war.

Und weil er, wie von Dr. Dolby befohlen, je nach Pegel mehr oder weniger stark und vor allem nicht bei allen Frequenzen gleichmäßig absenkt, treten die beschriebenen Frequenzgangfehler auf. Zu große Toleranzen von Dolby-ICs wirken in dieselbe Richtung.
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Schlimme Folgen: So wirken sich zu weit aufgedrehte Dolby-Pegelrealer oder zu empfindliche Bänder auf die Frequenzgänge aus

Noch empfindlicher reagiert das moderne und in puncto Rauschunterdrückung sehr wirksame Dolby C auf Recorderfehler wie falsche Pegel und krumme Frequenzgänge. Bei Dolby-C wird das Dolby-B Verfahren quasi zweimal hintereinander angewandt, mit der Besonderheit, daß sich der zweite IC-Satz besonders um tiefe Frequenzen kümmert. Zudem verringert er bei der Aufnahme lauter Höhen den Aufsprechpegel, was die Aussteuerbarkeit verbessert.
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Der Vergleich mit dem HighCom von Telefunken

Erheblich toleranter gibt sich HighCom von Telefunken, das als Breitbandkompander aufgebaut ist. Die Probleme der meisten Breitbandkompander wie hörbares Rauschatmen und Rauschfahnen nach Impulsspitzen umschifft HighCom gekonnt mit verschiedenen Regelgeschwindigkeiten, die sich automatisch dem Musiksignal anpassen.

Klarheit darüber, welchem von zwei Recordern bei Kompatibilitätsproblemen der Schwarze Peter gebührt, verschafft eine Meßcassette mit Dolby-Pegel (beispielsweise Teac MTT-150 A). Beim Abspielen darf auch ein genaues Voltmeter bei den drei Schalterstellungen Dolby B, Dolby C und ohne Dolby keinen Unterschied anzeigen.

von Heinrich Sauer - im Herbst 1982

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