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Aus der Funk-Technik Heft Nr. 17-1973
Die Technik der Quadrophonie - Teil 2 von 4

Fortsetzung von FUNK-TECHNIK Bd. 28 (1973) Nr. 16, S. 576 von U. SCHMIDT (Ing. Udo Schmidt ist Abteilungsleiter für den Bereich Technische Aufnahme - Betriebstechnik bei der EMI-Electrola GmbH, Köln.)

2. Matrix-Systeme (4-2-4) (idealisierter Wissensstand 1973 !!)

Eine weitere große Gruppe von Quadrophonie-Speicher- verfahren stellen die bereits heute vielfach angewandten Matrix-Verfahren dar. Dabei werden mit einer Widerstands- matrix und entsprechenden Phasendrehschaltungen die beiden hinteren Kanäle derart in die beiden vorderen Kanäle eingeschachtelt, daß nach der Rematrizierung oder Decodierung wieder eine gewisse Trennung dieser Kanäle möglich ist.

Der entscheidende Vorteil aller Matrix-Verfahren besteht darin, daß sich die codierten Signale sowohl aufzeichnungs- als auch abtastmäßig wie ein normales Stereo-Signal gleicher Bandbreite verarbeiten lassen. Deshalb kann man die bei Stereo-Schallplatten übliche Schneid- und Abtasttechnik beibehalten und handelsübliche Stereo-Tonbandgeräte für die Verarbeitung der codierten Quadro-Signale einsetzen.

Dieser Vorteil ermöglicht auch die uneingeschränkte Anwendung im Stereo-Rundfunk. Kritiker dieses Verfahrens stellen diesen Vorteilen jedoch als schwerwiegenden Nachteil die geringe (Anmerkung : eigentlich absolut miserabel mit nur 3db) Übersprechdämpfung gegenüber. Das hat zunächst sogar die Einführung eines Matrix-Verfahrens überhaupt in Frage gestellt. Inzwischen hat man aber gelernt, Aufnahmen „quadrofreundlich" anzulegen, zu manipulieren, beziehungsweise zu mischen. Es wurden ferner verschiedene Regelungstechniken entwickelt, die je nach Programmanteil der einzelnen Kanäle eine Steuerung und damit (Anmerkung: eine leichte) Vergrößerung der Übersprechdämpfung bewirken.

In Verbindung mit diesen
- auch als „Logic" bezeichneten - Schaltungszusätzen erreicht man in Verbindung mit speziellen Arrangements Übersprechwerte, die sonst nur mit diskreten Systemen möglich sind, wobei die genannten Vorteile erhalten bleiben. Die ersten Untersuchungen über Matrizierung und Rematrizierung mehrererer Kanäle wurden im englischen Patent Nr. 394 325 von AlanDower Blumleinim Jahre 1931 veröffentlicht.

2.1. Scheiber-Verfahren

Die Grundlage aller heutigen Matrix-Verfahren bildet das Scheiber-Verfahren. Peter Scheiber, Mitarbeiter der amerikanischen Audiodata Company, griff die Ideen von A. D. Blumlein auf und stellte im Jahre 1967 die ersten Untersuchungen über kompatible Vierkanal-Stereophonie an. Sein US-Patent gilt als Basispatent für alle Matrix-Systeme. Inzwischen ist er Inhaber vieler Patente auf diesem Gebiet und führte schon im Jahre 1969 seine erste Vierkanal-Matrix-Platte vor.

Der grundsätzliche Aufbau dieses Verfahrens ist im Bild 8 dargestellt. Die Signale LV, RV, LH und RH werden einer Widerstandsmatrix und einem symmetrischen Operationsverstärker, der im wesentlichen als Phasenwender dient, zugeführt.

In den codierten Kanälen L und R erhält man dann
L = 0,924 • Lv + 0,383 • Rv + m + 0,924 • LH- 0,383 • RH und
R = 0,383 • Lv + 0,924 • Rv - ft>. - 0,383 • LH + 0,924 • RH. KA)

Werden diese Signale in ähnlicher Weise wieder decodiert, so ergeben sich zunächst folgende vier Komponenten:

Bild 8. Codierung und Decodierung beim Scheiber-Verfahren


Lv = 0,924 • L + 0,383 • R, (3)
Rv = 0,924 • R + 0,383 • L, (4)
LH = 0,924 • L - 0,383 • R, (5)
RH = 0,924 • R - 0,383 • L. (6)

Setzt man die mit Gl. (1) und Gl. (2) gefundenen Werte für L und R in die Gleichungen (3) bis (6) ein, so erhält man die von den vier Lautsprechern abgestrahlten Komponenten (Tab. I). Im Bild 8 sind ferner die Vektordiagramme der einzelnen Komponenten dargestellt, so daß man eine gute Übersicht über den Zusammenhang bezüglich Betrag und Phase erhält.
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Tab. 1. Komponenten beim Scheiber-Verfahren

Vergleicht man nun die Werte in Tabelle 1 mit den Vektordiagrammen, so erkennt man, daß ein Übersprechen von 3 dB in den jeweils benachbarten Kanälen auftritt. Es handelt sich hier also um ein sogenanntes symmetrisches System. In den codierten Kanälen tritt der Nachbarkanal mit einem Übersprechwert von 1 : 0,415 also etwa -7,6 dB auf.

Dieser Wert gibt Aufschluß über die Basisbreiten Einengung beziehungsweise Kompatibilität bei Stereo-Wiedergabe einer codierten Vierkanal-Information. Im vorliegenden Fall würde die Basisbreite etwa auf 50 % zurückgehen.

Bild 9. Schaltung eines Allpaß-Phasenschiebers (nach Scheiber)

Betrachtet man Gl. (1) und Gl. (2) unter dem Gesichtspunkt der Stereo- beziehungsweise Mono-Kompatibilität, so ist zu erkennen, daß die vorderen Kanäle bei Stereo-Wiedergabe gleichphasig und die hinteren Kanäle gegenphasig in die Wiedergabe eingehen.

Das führt bei Mono-Wiedergabe sogar zu einer partiellen Auslöschung
der hinteren Informationen. Um die Kompatibilität zu verbessern, schlägt Scheiber die Einführung einer Phasenverschiebung von ±45° in den codierten Kanälen L und R vor (Bild 9).
Durch entsprechende Ausbildung der RC-Glieder läßt sich zwischen zwei derartigen Gliedern ein Phasengang erzeugen, der bei jeder Frequenz über etwa 7 Oktaven hinweg eine konstante Phasendifferenz von 90° ergibt.
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2.2. SQ-Verfahren (CBS-Verfahren)

Das im Abschnitt 2.1. erwähnte US-Patent von Peter Scheiber bildet auch die Grundlage für das SQ-(Stereo-Quadraphonic-) Verfahren. Es wurde auf Anregung der Columbia Records von den CBS-Laboratorien unter der Leitung von Benjamin B. Bauer entwickelt. Bekanntester Lizenznehmer dafür ist die japanische Firma Sony, die vor allem den Bau und Vertrieb von Decodern übernommen hat.

Beim SQ-Verfahren wird eine unsymmetrische Matrix verwendet. Unsymmetrisch bedeutet hier, daß zum Beispiel bei Modulation des vorderen linken Kanals die Übersprech- komponenten in den Kanälen hinten links und hinten rechts auftreten.

Der entscheidende Vorteil dieser Unsymmetrie liegt in der theoretisch unendlich großen Übersprechdämpfung zwischen den beiden vorderen Kanälen bei der Stereo-Wiedergabe einer codierten quadrophonischen Aufnahme und bei der Vierkanal-Wiedergabe. Bild 10 zeigt die Grundschaltung des CBS-Coders und -Decoders.

Bild 10. Grundschaltung des SQ-Coders und -Decoders

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Der wesentliche Unterschied zu der Schaltung von Scheiber besteht in der Einführung einer 90°-Komponente. Auch hierbei wird - wie beim verbesserten Scheiber-System - mit um 90° gegeneinander verschobenen, parallel laufenden Phasenschiebern gearbeitet.

Bild 11. Nach dem SQ-Verfahren modulierte Schallplattenrillen

Die Vektordiagramme im Bild 10 zeigen die um 90° phasenverschobenen Komponenten. Im Bild 11 ist diese Phasenverschiebung bei der Modulation verschiedener Kanäle an Hand geschnittener Schallplattenrillen dargestellt. Man erkennt gut die einmal vor- und einmal nacheilende Phase gegenüber dem anderen Kanal bei der Modulation der hinteren Kanäle.

Tab. II. Komponenten beim SQ-Verfahren

In Tabelle 2 sind die für das SQ-Verfahren geltenden Komponenten zusammengestellt (j beziehungsweise -j ist ein Wert auf der imaginären Achse und entspricht +90° beziehungsweise -90° Phasenverschiebung).

Während für die Information Mitte vorn (Mv) im codierten Kanal gleichphasige Anteile auftreten, sind sie für ein hinteres Mittensignal (MH) gegenphasig, so daß in diesem Fall keine Kompatibilität vorhanden ist.

Jetzt kommen die Feinheiten des SQ Systems

Auch eine punktförmig in die Mitte zwischen den vier Kanälen gelegte Quelle erscheint nach der Decodierung mit den Anteilen Lv : Rv : LH : RH =0 : -7,6 : -7,6 : 0 dB. Mittels modifizierter Matrixschaltungen und Einführung einer Zeitverzögerung von 10 bis 20ms für die hinteren Kanäle sind verschiedene vektorielle Darstellungen in den codierten Kanälen L und R möglich (Bild 12). Damit läßt sich bei unterschiedlichen Programmkonfigurationen die jeweils optimale Codierung erreichen.

Bild 12. Abgewandelte Formen des CBS-Coders;
a) „Interior"-Schaltung für kohärente Quellen in allen vier Kanälen,
b) „Forward-oriented"-Coder für volle Kompatibilität bei einer Hinten-Mitte-Quelle (zum Beispiel für Mono-Rund-funkübertragungen),
Bild 13. Schaltung zur Verbesserung der Übersprechdämpfung

Schon frühzeitig versuchte man, die mangelhafte Übersprechdämpfung durch besondere Schaltungs- maßnahmen (Anmerkung : logistische Schaltungstricks) zu verbessern. Zunächst wurde durch Einführung einer weiteren Matrix in die vier Kanäle des Decoders die Übersprech- dämpfung zwischen den vorderen und hinteren Kanälen von 3 auf 6 dB vergrößert (Bild 13).

Das konnte jedoch nur auf Kosten der Übersprech- dämpfung zwischen den vorderen Kanälen erfolgen, die dabei von Unendlich auf 12 dB sank. Später führte man dann eine elektronische Regelung des Übersprechens in Form einer sogenannten Logic-Schaltung ein.

Betrachtet man den Betrag und die Phase der jeweils unerwünschten Signale im codierten Weg, so stellt man bis auf eine Ausnahme fest, daß diese Signale gleiche Pegel haben und um +90° beziehungsweise -90° gegeneinander phasenverschoben sind. Treten nun derartige Signale auf, so spricht die Logic an und senkt die Verstärkung in den unerwünschten Kanälen.
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Bild 14. Schaltung eines SQ-Logic-Decoders

Auf diese Weise lassen sich Übersprechdämpfungen von 15 dB und mehr erreichen. Inzwischen sind schon verschiedene integrierte Schaltungen erhältlich, die mit einer geringen Anzahl von externen Bauelementen den Aufbau von Logic-Decodern gestatten.

Die von Motorola entwickelten integrierten Schaltungen
MC 1312, MC 1314 und MC 1315 dürften hier von besonderem Interesse sein. Bild 14 zeigt den kompletten Aufbau eines Logic-Decoders mit diesen IS. Die MC 1312 bildet den eigentlichen SQ-Matrix-Decoder. Die MC 1314 ist ein spannungsgeregelter Vierkanal-Verstärker mit Balance-und Pegelregelung, und die Logic wird von der MC 1315 dargestellt. Sie erzeugt die Regelspannungen für die MC 1314. (Fortsetzung folgt)

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