マトリックスデコーダー

マトリックス デコードは、少数の個別のオーディオ チャネル(例: 2) を再生時に多数のチャネル (例: 5) にデコードするオーディオ テクノロジです。チャネルは、通常、エンコーダーによって送信または録音用に調整され、デコーダーによって再生用にデコードされます (ただし、常にそうとは限りません)。この機能は、4 チャンネル サウンドやサラウンド サウンド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。これが「互換性のある」マルチチャンネル オーディオです。

マトリックス エンコーディングでは、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エンコードすることはできません。つまり、情報を失うことなく 5 チャンネルを 2 チャンネルに (または 3 チャンネルを 2 チャンネルに) 収めることはできません。これは、次元が失われるためです。デコードされた信号は独立していません。むしろ、デコード時にサラウンド サウンドの許容可能な近似値になり、許容可能な (またはより優れた) ステレオになるものをエンコードすることが目的です。

マトリックス エンコーディングの表記は、コロンで区切られた元の個別のオーディオ チャネルの数と、エンコードおよびデコードされたチャネルの数で構成されます。たとえば、4 つのチャネルを 2 つの個別のチャネルにエンコードし、4 つのチャネルにデコードし直すと、次のように表記されます。

4:2:4

いくつかの方法では、オーディオ ソースを特別にエンコードせずに、既存のチャネルから新しいチャネルを派生します。たとえば、5 つの個別のチャネルを 6 つのチャネルにデコードする場合は、次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、 ハース効果も活用できます。

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。

最も初期かつ最も単純な形式のデコードは、通常のステレオ録音 (2:2:4) からバック チャネルを派生するHafler 回路です。これはデコードのみに使用されました (サウンドのエンコードは考慮されませんでした)。

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]

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、エレクトロボイスとラジオシャック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つのサウンドチャンネル（4:2:4）をエンコードするために使用されました。^[3]

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

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ための試みにより、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。

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することができます。

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

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ライブ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も最適な方法でエンコードされました。既存の2チャンネルステレオ録音を変更して「合成SQ」を作成するために使用できます。これは、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します。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はデコーダーの90°位相シフターを使用して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。

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

後方指向エンコーダは前方指向エンコーダの逆で、部屋の後ろ半分に音を最適に配置できますが、モノラル互換性は犠牲になります。標準ステレオ録音で使用すると、スピーカーの外側に音がある「エクストラワイド」ステレオが作成されます。

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。

センターバックはモノラル再生でキャンセルされないようにエンコードされているため、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。

さらに、CBSはSQゲントマイクロフォンを開発しました。これは、ノイマンQM-69マイクを使用した空間マイクロフォンシステムです。QM-69からの信号は差分化され、位相マトリックス化されて2チャンネルSQになりました。^[5] ゲントマイクロフォンにより、SQはマトリックスからカーネルに変換され、追加の信号を導出してN:3:4のパフォーマンスを提供できるようになりました。

1976 年、ベン・バウアーはマトリックスとディスクリート システムを統合して USQ (Universal SQ) を考案しました。これは階層的な 4-4-4 ディスクリート マトリックスで、SQ マトリックスをベースバンドとして使い、追加の差分信号である「T」と「Q」を使用してディスクリートクアドラフォニック FM放送を行いました。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 38 kHz の直交に配置され、「Q」変調は 76 kHz の搬送波に配置されました。標準の 2 チャンネル SQ マトリックス放送では、CBS は、SQ エンコード信号を示してリスナーのロジック デコーダーをアクティブにするために、オプションのパイロット トーンを通常のパイロット トーンに対して 19 kHz の直交に配置することを推奨しました。

CBS は、FCC のさまざまな 4 チャンネル放送提案のリスニング テストで、CBS Paramatrix デコーダーでデコードされた 4:2:4 SQ システムが、4 チャンネル FM の標準として選択されるべきだと主張しました。これは、CBS Paramatrix 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) およびロジックありの 4:3:4 システムよりも優れており、わずかなマージン内でディスクリート マスター テープのパフォーマンスに近づいたためです。^[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。

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 デコーダの 4 つの出力をマトリックス化して追加の信号を生成し、次にそれらのエンベロープを比較して、主な方向と優位性の度合いを検出します。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) マトリックスの係数を決定します。これらは、マトリックス マルチプライヤ IC の真のアナログ乗算器によって処理され、入力マトリックスを「B」マトリックスで乗算して、すべての主なサウンドの方向性が強化された出力を生成します。

DES は、エネルギー球^[要説明]の 3 つの方向すべてを同時に認識し、分離を強化できるため、非常にオープンで「個別の」^[要説明]な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。

Dolby は、1986 年頃まで劇場用プロセッサに Tate DES IC を使用していましたが、このとき 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、この IC を採用したコンシューマー デコーダは Audionics Space & Image Composer と Fosgate Tate II 101A の 2 つだけでした。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方向性を強化した、以前の SQ 用 Full Wave-matching Logic デコーダとは異なり、Tate DES は SQ 信号のクロストークを主な方向性に応じてキャンセルし、主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。

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

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

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

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、家庭環境でのエンコードとデコードの両方を指しますが、劇場では「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」として知られています。「プロロジック」は使用されるデコーダーを指し、特別なプロロジックエンコードマトリックスはありません。

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 つのチャンネル、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) と呼ばれる 2 つに結合されます。

ここでj = 90°位相シフト

センターチャンネル情報は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情報はLTとRTの両方で位相がずれて伝送されます。サラウンドチャンネルは、周波数範囲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、モノラル再生との互換性が向上します。モノラル再生では、C が L または R より 3 dB 高いレベルでモノラル スピーカーから L、C、R が再生されますが、サラウンド情報は打ち消されます。また、2 チャンネル ステレオ再生との互換性も向上します。2 チャンネル ステレオ再生では、C が左右両方のスピーカーから再生されてファントム センターが形成され、サラウンドが両方のスピーカーから拡散して再生されます。

シンプルな 4 チャンネル デコーダーは、単に合計信号 (L+R) をセンター スピーカーに送り、差信号 (LR) をサラウンド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なため、センター スピーカーに送る予定の音は、センター スピーカーのレベルより 3 dB 低いレベルで左と右のスピーカーからも再生されます。同様に、左のスピーカーに送る予定の音は、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ますが、これも左のスピーカーのレベルより 3 dB 低いレベルで再生されます。ただし、左と右、センターとサラウンドのチャンネルは完全に分離されています。

この問題を克服するために、シネマ デコーダは、いわゆる「ロジック」回路を使用し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て優先順位を付け、隣接するチャンネルに送られる信号を減衰させます。反対のチャンネル間にはすでに完全な分離があるため、それらを減衰させる必要はなく、実質的にはデコーダが L と R の優先順位と C と S の優先順位を切り替えます。これにより、ドルビー ステレオのミキシングにいくつかの制限が課せられ、サウンド ミキサーがサウンドトラックを適切にミキシングできるように、ドルビー ステレオ エンコーダとデコーダを連動させてサウンド ミックスを監視します。ロジック回路に加えて、サラウンド チャンネルには遅延も供給されます。遅延は、さまざまなサイズの観客席に合わせて最大 100 ミリ秒まで調整可能で、左または右のスピーカー向けのプログラム マテリアルがサラウンド チャンネルに漏れても、常に目的のスピーカーから最初に聞こえるようにします。これにより、「優先効果」を利用して、サウンドを目的の方向に定位させます。

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

Pro Logic II マトリックスは、ステレオの全周波数バック チャネルを提供します。通常、サブウーファー チャネルは、元のステレオ トラックの既存の低音周波数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。

• アンビソニックUHJフォーマット
• ドルビーデジタル
• ドルビープロロジック
• ハース効果
• クアドラフォニックサウンド
• サラウンドサウンド