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Aus der Funk-Technik Heft Nr. 16-1973
Die Technik der Quadrophonie - Teil 1 von 4

von U. SCHMIDT (Ing. Udo Schmidt ist Abteilungsleiter für den Bereich Technische Aufnahme - Betriebstechnik bei der EMI-Electrola GmbH, Köln.)

Einleitung

Auch DUAL war 1973 mit im Boot
Braun Quadro Vorverstärker
Sony TC 854 4Kanal - fast unerschwinglich
Japanische Quadro Aufnahme der DOORS

Als vor etwa drei Jahren (also etwa 1970) in Deutschland zum erstenmal über (analoge) Quadrophonie gesprochen wurde, konnte zu diesem Zeitpunkt noch niemand voraussehen, welche Entwicklung diese neue Technik für den Hardware- und Softwaresektor und nicht zuletzt für den Konsumenten nehmen wird.

Auch heute läßt sich noch kein verbindliches Werturteil über die Quadrophonie fällen. Durch zahlreiche Publikationen und Vorführungen wurde aber das Interesse der Konsumenten geweckt, und auch auf der Internationalen Funkausstellung 1973 in Berlin wird die Quadrophonie bei vielen Firmen entscheidend im Mittelpunkt stehen.

Viele Systeme wurden inzwischen getestet und zumindest theoretisch für die Einführung der Quadrophonie in Erwägung gezogen. Heute nun sind die ersten Weichen gestellt, nachdem sich einer der großen deutschen Schallplattenhersteller nach langen Überlegungen für eines der Matrix-Verfahren entschieden hat. Diese Entscheidung hat bei den Geräteherstellern eine Fülle von Reaktionen ausgelöst, die alle darauf abzielen, eine gemeinsame Basis für die Verbreitung der Quadrophonie zu finden.

Der Rundfunk verhält sich zur Frage der Quadrophonie verständlicherweise noch zurückhaltend, wenn auch zwischenzeitlich verschiedene Untersuchungen angestellt wurden. Die Wahl eines für den Rundfunk geeigneten Systems wird besonders erschwert durch das im UKW-Bereich festgelegte Frequenzraster, durch die unter Umständen weitere Verringerung des Störabstandes und der Reichweite sowie nicht zuletzt durch zum Teil erhebliche zusätzliche Investitionskosten.

Hier böte sich ein Matrix-System als ideale Lösung an, zumal das Abspielen bereits codierter Tonträger jeden zusätzlichen technischen Aufwand auf der Senderseite entbehrlich machen würde. Die Probleme des Rundfunks sind also teilweise andere als die der Schallplatte, so daß die Schallplatten-Quadrophonie in diesem Stadium unabhängig von der Rundfunk-Quadrophonie betrachtet werden muß.

Sieht man von den sogenannten Pseudo- oder Quasi-Quadrophonie-verfahren (technische Kurzdarstellung 2-2-4) ab, bei denen aus den beiden Stereo-Signalen durch Modifikation zwei in Betrag und Phase abweichende hintere Kanäle abgeleitet werden, so kann man die Quadrophonieverfahren in zwei Gruppen unterteilen: in die diskreten Verfahren und in die Matrix-Verfahren. Dabei soll im folgenden kein Werturteil über die einzelnen Systeme abgegeben, sondern lediglich auf die rein technischen, systembedingten Grundlagen eingegangen werden.

1. Das ideale "Diskrete System" (4-4-4)

Bild 1. Aufzeichnung der vier Quadro-Kanäle bei den verschiedenen Bandspeichertypen;
a) 1/4"-Band,
b) Compact-Cassette,

Das Wort „diskret" bedeutet soviel wie „abgetrennt" (oder einfach nur getrennt). Unter einem diskreten System versteht man also die Speicherung oder Übertragung einer quadrophonen Information über vier getrennte Kanäle, die lediglich durch das Übersprechen elektrisch miteinander verknüpft sind.

Bei reinen Übertragungsaufgaben läßt sich ein solches System leicht anwenden, und auch bei der Speicherung auf Magnetband ergeben sich keine Schwierigkeiten, wenn man vier getrennte Spuren auf dem Band verwendet. Die vier Kanäle lassen sich bei den verschiedenen Bandspeichertypen (1/4"-Band, Compact-Cassette und Cartridge oder 8-Spur-Kassette) sehr einfach nach den im Bild 1 dargestellten Normen aufzeichnen.

Bei der Philips Compact-Cassette müssen dabei allerdings qualitative Abstriche gemacht werden, da die Spurbreite nur noch 0,25 mm beträgt. Größere Amplitudenschwankungen (besonders bei höheren Frequenzen) und geringere Dynamik sind die Folge. Hier könnten eventuell die Anwendung von Chromdioxidband in Verbindung mit dem Dolby-B-Verfahren und eine verfeinerte Mechanik bei den Geräten Verbesserungen bringen.

Wesentlich schwieriger sind die Verhältnisse
bei der Speicherung auf (analogen) Schallplatten oder bei der Rundfunkübertragung. In beiden Fällen müssen die zusätzlichen Informationen einem oder mehreren Hilfsträgern auf moduliert werden. Wegen der geringen zur Verfügung stehenden Systembandbreiten ist die Anwendung derartiger Verfahren aber oft nur unter Verzicht auf ausreichenden Fremdspannungsabstand möglich.

1.1. CD-4-Verfahren (fast diskret)

Bei dem CD-4-Verfahren handelt es sich um ein fast klassisch zu nennendes diskretes Verfahren. Es wurde von der japanischen Firma JVC (Victor Company of Japan) entwickelt und im September 1970 als erstes Quadro-System der Welt der Öffentlichkeit vorgestellt. Inzwischen erfolgten weitere technische Verbesserungen, ohne daß jedoch die Grundkonzeption geändert wurde. Das System wurde speziell auf die Belange der Schallplatte zugeschnitten.

Bild 2 Vierkanal Aufzeichnung und Kodierung auf 2 Plattenkanäle bis zum Schneidstichel

Bild 2 zeigt die prinzipielle Anordnung auf der Aufnahmeseite. Aus den Kanälen K1, K2, K3 und K4 werden zunächst mit einer Matrix die Summen {K1+K3) und (K2+K4) sowie die Differenzen (K1-K3) und (K2-K4) gebildet Die Differenzkanäle werden dann zwei Hilfsträgern in Form von Phasenmodulation (für f> 800 Hz) und Frequenzmodulation (für f< 800 Hz) auf moduliert, deren Mittenfrequenz bei 30 kHz liegt.

Diese modulierten Hilfsträger addiert man in einer Mischstufe mit den Summenkanälen, so daß am Ausgang der Mischstufe die Produkte (K1+K3) + Delta f1 und (K2+K4)+ Delta f2 entstehen. Beide Signale werden einem (Schallfolien-) Schreiber zugeführt, der unter jeweils ±45° die linke und rechte Rillenflanke moduliert. Die linke Rillenflanke enthält die Summen und die Differenzen des vorderen linken und des hinteren linken Kanals und die rechte Flanke die Summen und die Differenzen des vorderen rechten und des hinteren rechten Kanals (Bild 3).

Bild 3. Kanallage beim CD-4-Verfahren

Bei der Wiedergabe werden die vom Tonabnehmer gelieferten Signale zunächst einem Demodulator zugeführt und dann in einer Matrixschaltung wieder in die Kanäle Kl, K2, K3 und K4 zerlegt (Bild 4).

Bild 4. Prinzip der CD-4-Wiedergabeanlage

Da in einer normalen analogen Stereo-Übertragungskette die Frequenzen oberhalb etwa 20 kHz unterdrückt werden, bleiben jeweils nur die linken und rechten Summensignale übrig. Damit ist bei normaler Stereo-Wiedergabe volle Kompatibilität gewährleistet. Allerdings gelten für die Phasenbeziehungen zwischen den vorderen und den hinteren linken und rechten Kanälen die gleichen Bedingungen wie für die linken und rechten Kanäle der Stereo-Platte im Falle der Mono-Kompatibilität. Um eine bessere Trennung zwischen den Summenkanälen und den modulierten Differenzkanälen zu erhalten, wurde das untere Seitenband der Differenzkanäle leicht beschnitten (-10 kHz, + 15 kHz).

Anmerkung : Mit einem normalen hochwertigen Stereo Tonabnehmer, selbst wenn er (also die Nadel = der Diamant) funkel nagel neu ist, werden die Frequenzen oberhalb von 15 kHz in kürzester Zeit abgeschliffen bzw. abgehobelt. Also selbst wenn der Verstärker Frequenzen bis 50 kHz verstärken würde, die würden vom Abtaster gar nicht erst angeliefert.

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Bild 5. Schneidkennlinie beim CD-4-Verfahren

Die Aufzeichnung selbst erfolgt nach der von der Stereo-Platte her bekannten CCIR-Schneidkennlinie (zum Beispiel nach DIN 45.547: 3180, 318, 75 ps), die bis 45 kHz mit 6 dB/Oktave verlängert wurde (Bild 5). Frequenzen bis 20 kHz folgen dieser Schneid- kennlinie, wobei allerdings die Spitzenschnelle v bei 1000 Hz auf 2,23 cm/s festgelegt wurde. Sie liegt damit um etwa 11 dB unter dem bei der Stereo-Platte üblichen Wert von 8 cm/s. Oberhalb 20 kHz wird ein Filter mit einer Grunddämpfung von 0 dB bei 30 kHz und einem Abfall von 6 dB/Oktave eingeschaltet, so daß die modulierten Differenzkanäle mit konstanter Schnelle aufgezeichnet werden. Der Pegel des unmodulierten Hilfsträgers wurde auf -19 dB festgelegt. Er liegt damit bei einer Schnelle von 3,54 cm/s also immer noch 4 dB über dem 1-kHz-Wert.

Quadro Abtaster mit Shibata Nadel

Trotz dieses kleinen Schnellewertes ergeben sich wegen der hohen Frequenzen gewisse Probleme sowohl bei der Aufzeichnung als auch bei der Wiedergabe. Bei der Abtastung mit üblichen elliptischen Nadeln, die wegen der kleinen aufgezeichneten Wellenlänge (5,4 um bei 45 kHz, 140 mm Plattendurchmesser und 33 1/3 U/min) erforderlich sind, kann es bei mehrmaliger Abtastung infolge zu hoher Beschleunigungskräfte zu einer Zerstörung der Aufzeichnung kommen.

Deshalb wurde für diese Aufzeichnungsart eine besondere Nadel
, die sogenannte Shibata-Nadel entwickelt, deren spezielle Formgebung eine wesentlich geringere spezifische Belastung des Plattenmaterials bewirkt. Außerdem wird die Resonanzfrequenz zwischen Nadel und Plattenmasse nach höheren Frequenzen hin verschoben.

Bild 6. Frequenzgang bei der Abtastung einer CD-4-Schall-platte mit einer elliptischen Nadel (a) und mit einer Shibata-Nadel (b)

Bild 6 zeigt den Frequenzgang bei der Abtastung mit einer elliptischen Nadel (Kurve a) und einer Shibata-Nadel (Kurve b).

Weitere Besonderheiten des CD-4-Verfahrens
sind die automatische Pegelregelung des Hilfs- trägers, eine Regel-Schaltung zur Geräuschunter- drückung (ähnlich dem Dolby-Verfahren), eine Lauf-Zeitverzögerung der Summenkanäle, eine Höhenvorverzerrung in den Differenzkanälen, die Einführung einer Phasenschwankungskomponente sowie eine Schaltung zur Kompensation der Abtastverzerrungen (ähnlich dem Tracing-Simulator-Verfahren, bekannt unter dem Handelsnamen „Royal Sound").

Auf diese Schaltungsfeinheiten soll aber hier nicht weiter eingegangen werden, da sie auf die grundsätzliche Funktionsweise keinen Einfluß haben.

1.2. Electrovoice- und CBS-Verfahren

Nur der Vollständigkeit wegen sei an dieser Stelle erwähnt, daß auch die CBS-Laboratorien und Electrovoice vor ihren Matrix-Verfahren diskrete Systeme entwickelt hatten. So arbeitete zum Beispiel CBS (ähnlich wie das CD-4-Verfahren) mit den Signalen (LV + LH) und (RV + RH), die im Bereich 20... 18.000 Hz direkt aufgezeichnet wurden, während die Differenzsignale (LV-LH) und (RV-RH) einem 22kHz-Träger als Amplitudenmodulation aufmoduliert wurden. Um die Kanalbreite zu begrenzen, verwendete man Einseitenbandmodulation, bei der nur das obere Seitenband bis 38 kHz aufgezeichnet wurde.

Da über diese Verfahren fast nichts publiziert wurde und sie sich auch grundsätzlich nicht vom CD-4-Verfahren unterscheiden, soll auf weitere Einzelheiten nicht näher eingegangen werden. Außerdem wurden diese Versuche von den genannten Firmen nicht weiter verfolgt.

1.3. Dichtspeichertechnik (theoretisierte Überlegungen)

TED - Es sollte ein Renner werden
Die TED Bildplattenfolie
Bild 7. Tonspeicherung mit der TED-Bildplatte (für vier Trägerfrequenzen dargestellt); a) Lage der Filterbereiche,
b) Grundschaltung des Verfahrens,
c) Schaltung für kontinuierlichen Programmablauf
Der TED Piezo Abtaster
der Nadelträger mit Abtastdiamant

Wegen der geforderten Kompatibilität zwischen der Quadro-Schallplatte und einer handelsüblichen Stereo-Platte wird man bei der Speicherung mehrkanaliger Toninformationen immer gezwungen sein, gewisse Kompromisse zu schließen. Hier bietet sich die in der Video- und Computertechnik angewandte Dichtspeichertechnik als geradezu ideales Verfahren an, die Informationen zu speichern.

Bei der mechanischen TED-Bildplatte der Teldec lassen sich auf einer Platte von 21 cm Durchmesser infolge Herabsetzung der Rillenbreiten auf 3,6 um Informationen mit einer Bandbreite von bis zu 4 MHz (Anmerkung : Das TED Bildplattensystem konnte nie 4MHz Bandbreite, nur in der Theorie.) mit einer Spieldauer von 10min unterbringen. Zur mechanischen Abtastung dient ein Piezo-Druckabtaster.

Bei dem von Philips entwickelten Bildplatten-Verfahren ist die Speicherdichte sogar noch größer. Hier erfolgt die Abtastung auf optischem Wege mittels eines Lasers. Die Geschwindigkeit des Trägers ist bei beiden Systemen 1.500 U/min, entsprechend der Fernsehnorm von 50 Bildern/s.

Unabhängig von den Aufnahme- und Wiedergabeverfahren lassen sich mit der Dichtspeichertechnik auf dem Informationsträger grundsätzlich auch schmalbandigere Informationen mit entsprechend längerer Spieldauer unterbringen.

Hierzu gibt es zwei Wege:

Herabsetzung der Trägergeschwindigkeit auf zum Beispiel 1/10 oder Anwendung von beispielsweise 10 verschiedenen Trägerfrequenzen. Bei einer Aufzeichnung auf Magnetband nach dem Schrägspur-Verfahren läßt sich wegen der erforderlichen Synchronität zwischen Bandlauf und Kopfrad nur mit großen Schwierigkeiten eine Herabsetzung der Drehzahl erreichen. Auch wegen der immer vorhandenen Ausfallzone beim Kopfübergang ist diese Technik zur Tonspeicherung wenig zweckmäßig. Die Anwendung verschiedener Trägerfrequenzen setzt dagegen eine Bandkassette mit einer endlosen Bandschleife (ähnlich der 8-Spur-Cartridge) voraus.

Sehr viel günstiger sind die Verhältnisse - nicht zuletzt auch wegen der kürzeren Zugriffszeit - bei der (optischen) Videoplatte. Eine Herabsetzung der Laufgeschwindigkeit auf 1/10 wäre bei der optischen Abtastung völlig problemlos. Man könnte bei einer Bandbreite von 400kHz mit einem Trägerfrequenzverfahren bequem die vier Tonkanäle unterbringen, und die Spielzeit einer 30-cm-Platte würde dann bei einer Drehzahl von 150 U/min bei etwa 10 Stunden liegen.

Die mechanische Druckabtastung der Teldec setzt dagegen eine gewisse Relativgeschwindigkeit zwischen Speicher und Abtaster voraus. Deshalb wurde hierfür von Professor Bruch ein sequentielles Abtastverfahren mit zum Beispiel 10 verschiedenen Trägerfrequenzen vorgeschlagen. Die Drehzahl der Platte bleibt dabei 1500 U/min. Damit wäre gleichzeitig auch eine gewisse Kompatibilität mit der TED-Bildplatte erreicht.

Um einen kontinuierlichen Programmablauf zu gewährleisten, sind zwei Abtaster vorhanden, die abwechselnd am Plattenrand aufgesetzt werden. Nach jeweils einem Durchlauf sorgt ein Impuls für das Aufsetzen des zweiten Abtasters und für den Übergang auf die nächstfolgende Trägerfrequenz.

Durch manuelle Umschaltung der verschiedenen Trägerfrequenzen
läßt sich auch jede der 10 in einer Rille gespeicherten Informationen wahlweise abrufen. Im Bild 7 ist das Prinzip dieses Verfahrens für vier Trägerfrequenzen (vier Kanäle) dargestellt. Obwohl beim derzeitigen Stand der Bildplattentechnik alle diese Verfahren noch keine Fertigungsreife erlangt haben, so könnten sie doch für die Zukunft der Mehrkanalspeicherung richtungweisend sein. (Fortsetzung folgt)

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