マトリックスデコーダー

マトリックスデコードとは、少数の個別のオーディオチャンネル（例：2チャンネル）を再生時に多数のチャンネル（例：5チャンネル）にデコードするオーディオ技術です。チャンネルは、通常はエンコーダーによって伝送または録音用に調整されますが、必ずしもそうとは限りません。デコーダーによって再生用にデコードされます。この機能は、4チャンネル音声やサラウンド音声などのマルチチャンネルオーディオをステレオ信号にエンコードし、ステレオ機器ではステレオとして、サラウンド機器ではサラウンドとして再生できるようにするものです。これは「互換」マルチチャンネルオーディオと呼ばれます。

プロセス

マトリックス符号化では、情報を失うことなく複数のチャンネルをより少ないチャンネルに符号化することはできません。例えば、5チャンネルを2チャンネルに（あるいは3チャンネルを2チャンネルに）符号化しても、情報を失うことなく符号化することはできません。これは次元を失うことになるからです。デコードされた信号は独立ではありません。むしろ、デコード時にサラウンドサウンドの許容範囲内の近似値となり、かつ許容範囲内（あるいはそれ以上）のステレオ感となるような符号化を目指しています。

表記

マトリックスエンコーディングの表記法は、元の個別のオーディオチャンネル数と、エンコードおよびデコード後のチャンネル数をコロンで区切って表します。例えば、4チャンネルを2つの個別のチャンネルにエンコードし、それを4チャンネルに戻す場合は、次のように表記されます。 

4:2:4

いくつかの手法では、音源を特別にエンコードすることなく、既存のチャンネルから新しいチャンネルを生成します。例えば、5つの個別チャンネルを6つのチャンネルにデコードする場合は、以下のように表記されます。 

5:5:6

このような派生チャネル「デコーダー」は、ソース チャネルに固有のオーディオ キューだけでなく、 ハース効果も利用できます。

多くのマトリックスエンコード方式が開発されています。

ハフラーサーキット（2:2:4）

最も初期かつ最もシンプルなデコード方式は、通常のステレオ録音（2:2:4）からバックチャンネルを抽出するハフラー回路です。これはデコードのみに使用され、音声のエンコードは考慮されていませんでした。

デコード行列

デコード行列左前右前左サイドバック右サイドバック
左合計 1.00.01.0-1.0
右合計 0.01.0-1.01.0

ダイナクアッドマトリックス（2:2:4）/（4:2:4）

1969年に導入されたDynaquadマトリックスはHafler回路に基づいていましたが、一部のアルバムの4つのサウンドチャンネル（4:2:4）の特定のエンコードにも使用されました。[ 1 ]

エンコーディングマトリックス

マトリックス左前右前左サイドバック右サイドバック
左合計 1.00.251.0-0.5
右合計 0.251.0-0.51.0

デコード行列

マトリックス[ 2 ]左前右前左サイドバック右サイドバック
左合計 1.00.00.64-0.36
右合計 0.01.0-0.360.64

エレクトロボイス ステレオ4マトリックス (2:2:4) / (4:2:4)

ステレオ4マトリックスは、レナード・フェルドマンとジョン・フィクラーによって発明され、1970年に発表され、エレクトロボイス社とラジオシャック社によって販売されました。このマトリックスは、多くのレコードアルバムの4チャンネル音声（4:2:4）をエンコードするために使用されました。[ 3 ]

エンコーディングマトリックス

マトリックス左前右前左サイドバック右サイドバック
左合計 1.00.31.0-0.5
右合計 0.31.0-0.51.0

デコード行列

マトリックス[ 2 ]左前右前左サイドバック右サイドバック
左合計 1.00.21.0-0.8
右合計 0.21.0-0.81.0

SQマトリックス、「ステレオクアドラフォニック」、CBS SQ（4:2:4）

マトリックス左前右前左サイドバック右サイドバック
左合計 1.00.0k0.70.7
右合計 0.01.0-0.7j0.7

j＝+90∘{\displaystyle j=+90^{\circ }}位相シフト、位相シフトけ＝−90∘{\displaystyle k=-90^{\circ}}

基本的なSQマトリックスにはモノラル/ステレオの異常やエンコード/デコードの問題があり、マイケル・ガーゾンらから厳しく批判された。[ 4 ]

システムを改善する試みにより、他のエンコーダーやサウンド キャプチャー技術が使用されるようになりましたが、デコード マトリックスは変更されませんでした。

位置エンコーダ

360° 円内のあらゆる位置をエンコードする N/2 エンコーダーです。16 個の入力があり、それぞれを希望する方向に正確にダイヤルして、最適化されたエンコードを生成できます。

前方指向エンコーダ

マトリックス左前右前左サイドバック右サイドバック
左合計 1.00.00.7k0.7
右合計 0.01.0k0.70.7

j＝+90∘{\displaystyle j=+90^{\circ }}位相シフト、位相シフトけ＝−90∘{\displaystyle k=-90^{\circ}}

フォワード指向エンコーダーにより、センターバックがセンターフロントとしてエンコードされ、モノラル互換性を最大限に高めるために生放送での使用が推奨されました。また、センター左/センター右と両方の対角分割を最適な方法でエンコードしました。既存の2チャンネルステレオ録音を変更して、Full-LogicまたはTate DES SQデコーダーで再生すると、180°または270°の合成クワッド効果を発揮する「合成SQ」を作成するために使用できます。1970年代にSQを放送していた多くのステレオFMラジオ局は、このためにフォワード指向SQエンコーダーを使用していました。SQデコーダー用に、CBSはデコーダー内の90°位相シフタを使用して270°エンハンスメントを生成する回路を設計しました。SansuiのQSエンコーダーとQSバリオマトリックスデコーダーにも同様の機能がありました。

後方指向エンコーダ

マトリックス左前右前左サイドバック右サイドバック
左合計 k1.00.0k0.70.7
右合計 0.0j1.0-0.7j0.7

j＝+90∘{\displaystyle j=+90^{\circ }}位相シフト、位相シフトけ＝−90∘{\displaystyle k=-90^{\circ}}

後方指向エンコーダーは前方指向エンコーダーの逆で、部屋の後方半分に音を最適に配置することができますが、モノラル互換性は犠牲になります。標準的なステレオ録音に使用すると、スピーカーの外側に音を響かせる「エクストラワイド」なステレオ効果が得られます。

一部のエンコーディング ミキサーには、順方向エンコーディングと逆方向エンコーディングを切り替えることができるチャンネル ストリップがありました。

ロンドンボックス

センターバックはモノラル再生時にキャンセルされないようエンコードされていたため、その出力は通常、ポジション・エンコーダーまたはフォワード・オリエンテッド・エンコーダーの出力とミックスされていました。1972年以降、SQエンコードされたアルバムの大部分は、ポジション・エンコーダーまたはフォワード・オリエンテッド・エンコーダーのいずれかを使用してミックスされました。

ゲントマイク

さらに、CBSはSQ Ghent Microphoneを開発しました。これは、Neumann QM-69マイクを用いた空間マイクシステムです。QM-69からの信号は差動され、位相マトリクス処理によって2チャンネルSQに変換されます。[ 5 ] Ghent Microphoneによって、SQはマトリクスからカーネルへと変換され、N:3:4性能を実現するための追加信号を生成することができました。

ユニバーサルSQ

1976年、ベン・バウアーはマトリクス方式とディスクリート方式を統合したUSQ（Universal SQ）を開発した。これは階層型4-4-4のディスクリートマトリクス方式で、SQマトリクスをベースバンドとして用い、さらに「T」および「Q」と呼ばれる差分信号を用いたディスクリート4チャンネルFM放送を実現した。USQ FM放送では、追加の「T」変調は標準ステレオ差分信号に対して38kHzの直交位相に配置され、「Q」変調は76kHzの搬送波に重畳された。CBSは、標準2チャンネルSQマトリクス放送において、SQエンコード信号であることを示してリスナーのロジックデコーダーを作動させるために、通常のパイロットトーンに対して19kHzの直交位相にオプションのパイロットトーンを配置することを推奨した。

CBSは、FCCの様々な4チャンネル放送提案の聴取テストで、CBSパラマトリックスデコーダーでデコードされた4:2:4 SQシステムが、テストされた他のすべての4:2:4（ロジックなし）だけでなく、ロジックありの4:3:4システムよりも優れており、わずかなマージンでディスクリートマスターテープの性能に近づいたため、SQシステムを4チャンネルFMの標準として選択する必要があると主張しました。[ 6 ]同時に、ステレオとモノラルへのSQの「フォールド」は、4:4:4、4:3:4、および他のすべての4:2:4エンコードシステムのステレオとモノラルの「フォールド」よりも好まれました。

Tate DESデコーダー

方向性強化システム (Tate DES とも呼ばれる) は、基本的な SQ マトリックスの方向性を強化した高度なデコーダーでした。

まずSQデコーダーの4つの出力をマトリクス化して追加信号を生成し、それらのエンベロープを比較して支配的な方向と支配度を検出します。Tate ICチップの外部に実装されたプロセッサセクションは、制御信号に可変のアタック/ディケイタイミングを適用し、方向性を強化するために必要な「B」（ブレンド）マトリクスの係数を決定します。これらの係数はマトリクスマルチプライヤIC内の真のアナログ乗算器によって処理され、入力マトリクスと「B」マトリクスを乗算することで、すべての支配的な音の方向性が強化された出力を生成します。

DES は Energy Sphere の 3 つの方向を同時に認識し、分離を強化できるため、非常にオープンで「個別の」サウンドフィールドを実現しました。

さらに、すべての非支配的な音が適切なレベルに維持されるように、十分な追加の複雑さで強化が行われました。

ドルビーは、1986年頃まで劇場のプロセッサにTate DES ICを使用していましたが、その頃Pro Logicシステムが開発されました。残念ながら、遅延や問題により、Tate DES ICは1970年代後半まで市場に出回らず、それを採用した民生用デコーダはAudionics Space & Image ComposerとFosgate Tate II 101Aの2つだけが製造されました。Fosgateは、Tate IIと呼ばれる、より高速で更新されたバージョンのICと、360度の音場全体で分離を強化するための追加回路を使用しました。出力レベルを変化させて指向性を高める、以前のSQ用のFull Wave-matching Logicデコーダーとは異なり、Tate DESは、主要な指向性の関数としてSQ信号のクロストークをキャンセルし、主要な音と残響を適切な空間位置で適切なレベルに保ちます。

QSマトリックス、「レギュラーマトリックス」、「クアドラフォニックサウンド」（4:2:4）

マトリックス左前右前左サイドバック右サイドバック
左合計 0.920.38j0.92j0.38
右合計 0.380.92k0.38k0.92

j＝+90∘{\displaystyle j=+90^{\circ }}位相シフト、位相シフトけ＝−90∘{\displaystyle k=-90^{\circ}}

マトリックスH（4:2:4）

行列H行列[ 7 ]左前右前左サイドバック右サイドバック
左合計 -j0.94-l0.34+k0.94+m0.34
右合計 +10.34+j0.94-m0.34-k0.94

j = 20°位相シフトk = 25°位相シフトl = 55°位相シフトm = 115°位相シフト

アンビソニックUHJカーネル（3:2:4以上）

マトリックスW（圧力信号）X（前後信号）Y（左右信号）
左合計 0.470 + k0.1710.093 + j0.255+0.328
右合計 0.470 + j0.1710.093 + k0.255-0.328

j＝+90∘{\displaystyle j=+90^{\circ }}位相シフト、位相シフトけ＝−90∘{\displaystyle k=-90^{\circ}}

ドルビーステレオとドルビーサラウンド（マトリックス）4:2:4

Dolby StereoおよびDolby Surroundは、Dolby MP、Dolby SVA、 Pro Logicとも呼ばれます。

Dolby SVA マトリックスは、Dolby Stereo 4:2:4 エンコーディング マトリックスの元の名前です。

「ドルビーサラウンド」という用語は、家庭環境におけるエンコードとデコードの両方を指しますが、映画館では「ドルビーステレオ」、「ドルビーモーションピクチャーマトリックス」、または「ドルビーMP」と呼ばれます。「プロロジック」は使用されるデコーダーを指し、プロロジック専用のエンコードマトリックスは存在しません。

別の会社によって開発されたUltra Stereoシステムは互換性があり、Dolby Stereo と同様のマトリックスを使用します。

ドルビー ステレオ マトリックスは簡単です。元の 4 つのチャネル、つまり左 (L)、センター (C)、右 (R)、サラウンド (S) が、次の式によって左合計 (LT) と右合計 (RT) の 2 つに結合されます。

ドルビーステレオミックス左右中心囲む
左合計 1{\displaystyle 1}0{\displaystyle 0}12{\displaystyle {\frac {1}{\sqrt {2}}}}+j12{\displaystyle +j{\frac {1}{\sqrt {2}}}}
右合計 0{\displaystyle 0}1{\displaystyle 1}12{\displaystyle {\frac {1}{\sqrt {2}}}}−j12{\displaystyle -j{\frac {1}{\sqrt {2}}}}

ここでj = 90°位相シフト

センターチャンネルの情報はLTとRTの両方で同位相で伝送され、サラウンドチャンネルの情報はLTとRTの両方で逆位相で伝送されます。サラウンドチャンネルは、周波数帯域が制限された単一のモノラルリアチャンネル（7kHzローパスフィルター[ 8 ]）で、動的に圧縮され、他のチャンネルよりも低い音量で配置されます。これにより、信号の分離が向上します。

これにより、モノラル再生（L、C、Rをモノラルスピーカーから再生し、CはLまたはRより3dB高いレベルになりますが、サラウンド情報は打ち消されます）と良好な互換性が得られます。また、2チャンネルステレオ再生（Cを左右両方のスピーカーから再生してファントムセンターを形成し、サラウンド情報は両方のスピーカーから拡散的に再生）とも良好な互換性が得られます。

シンプルな4チャンネルデコーダーであれば、単純に加算信号（L+R）をセンタースピーカーに、差分信号（LR）をサラウンドスピーカーに送ることができます。しかし、このようなデコーダーでは隣接するスピーカーチャンネル間の分離が不十分になり、センタースピーカーに送るべき音は、センタースピーカーのレベルよりわずか3dB低いレベルで左右のスピーカーからも再生されてしまいます。同様に、左スピーカーに送るべき音は、センタースピーカーとサラウンドスピーカーの両方から再生され、これも左スピーカーのレベルよりわずか3dB低いレベルで再生されます。しかし、左右チャンネル間、そしてセンターチャンネルとサラウンドチャンネル間の分離は完全に保たれます。

この問題を克服するため、シネマデコーダーはいわゆる「ロジック」回路を用いて分離を改善します。ロジック回路は、どのスピーカーチャンネルの信号レベルが最も高いかを判断し、そのチャンネルに優先権を与え、隣接チャンネルに供給される信号を減衰させます。対向チャンネル間の分離は既に完全に確立されているため、これらのチャンネルを減衰させる必要はなく、デコーダーは実質的にLとRの優先とCとSの優先を切り替えます。これによりドルビーステレオのミキシングに一定の制約が生じ、サウンドミキサーはサウンドトラックを適切にミキシングするために、ドルビーステレオエンコーダーとデコーダーを連携させてサウンドミックスをモニタリングしていました。ロジック回路に加えて、サラウンドチャンネルには遅延回路も接続されています。遅延回路は、様々な規模のホールに合わせて最大100ミリ秒まで調整可能で、左右のスピーカー向けのプログラム素材がサラウンドチャンネルに漏れ込んだ場合でも、常に目的のスピーカーから先に聞こえるようにしています。これは「先行効果」を利用して、音を意図した方向に定位させます。

ドルビープロロジックIIマトリックス（5:2:5）

マトリックス左右中心リア左右後部
左合計 1{\displaystyle 1}0{\displaystyle 0}12{\displaystyle {\sqrt {\frac {1}{2}}}}j32{\displaystyle j{\frac {\sqrt {3}}{2}}}j12{\displaystyle j{\frac {1}{2}}}
右合計 0{\displaystyle 0}1{\displaystyle 1}12{\displaystyle {\sqrt {\frac {1}{2}}}}け12{\displaystyle k{\frac {1}{2}}}k32{\displaystyle k{\frac {\sqrt {3}}{2}}}

j=+90∘{\displaystyle j=+90^{\circ }}位相シフト、位相シフトk=−90∘{\displaystyle k=-90^{\circ }}

Pro Logic IIマトリックスは、ステレオの全周波数帯域をカバーするバックチャンネルを提供します。通常、サブウーファーチャンネルは、元のステレオトラックの既存の低音域をフィルタリングしてリダイレクトするだけで駆動されます。

参照

参考文献

  1. ^フェルドマン、レナード (1973). 『Four Channel Sound』（第1版）インディアナポリス、インディアナ州: Howard W. Sams & C. Inc. pp.  49– 51. ISBN 0-672-20966-7。
  2. ^ a b Patterson, Tab. 「自宅でSQをエンコードする」2018年8月13日閲覧。
  3. ^フェルドマン、レナード (1973). Four Channel Sound (第1版). インディアナポリス, IN: Howard W. Sams & C. Inc. pp.  44– 49. ISBN 0-672-20966-7。
  4. ^ガーゾン、マイケル（1977年12月8日）「クアッドではなく、心理音響学と言おう」ニューサイエンティスト誌、pp.  634– 636。フォワード指向エンコーダは、SQが提供する少なくとも6つの異なるエンコードオプションの1つであり、プロデューサーはどのフォールトコレクションを好むかを自分で決定できます。
  5. ^ Bauer, Benjamin B.; Louis A. Abbagnaro; Daniel W. Gravereaux; Trevor J. Marshall (1978年1月～2月). 「SQ 4チャンネル録音・放送用Ghentマイクロフォンシステム」. Journal of the Audio Engineering Society . 26 (1/2). AES : 2–11 .
  6. ^「FM 4チャンネル再生システムの主観評価 - 聴取テスト」連邦通信委員会、主任技師室、実験室部門、メリーランド州ローレル。プロジェクト番号2710-1、1977年8月
  7. ^ PS Gaskell; PA Ratliff (1977年2月). 「QUADRAPHONY: マトリックスHデコードの開発」(PDF) . 研究部門、エンジニアリング部門. BBC . BBC RD 1977/2. 2009年10月2日時点のオリジナルよりアーカイブ(PDF) . 2018年8月13日閲覧。
  8. ^ 「Dolby Surround Pro Logic IIデコーダーの動作原理」（PDF） . Dolby Laboratories . 2012年1月28日時点のオリジナル（PDF）からアーカイブ。 2009年12月4日閲覧。
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