In diesem Beitrag wird ein Überblick über die Entwicklung der Tonwiedergabeverfahren von der Monotechnik bis zur Quadrofonie gegeben. Wir verwendeten für diese weitgehend neutrale Darstellung wesentliche Teile eines Berichtes der „Funk-Technik" Nr. 23/1972 und einen Auszug aus der „Funkschau" Nr. 2/1973.

Monaural oder monofon(isch) bedeutet soviel wie einohrig. Jede akustische Übertragung zwischen zwei Orten ist dann monaural, wenn für die akustischen Informationen - beispielsweise Sprache oder Musik - nur ein Übertragungsweg verwendet wird (Bild 1).

Dabei ist es gleichgültig, ob die Aufnahme einer akustischen Darbietung mit einem oder mehreren Mikrofonen erfolgt oder - von der Wiedergabeseite aus betrachtet - ob nur ein Lautsprecher zur Verfügung steht oder mehrere für eine breite Schallverteilung sorgen.

Der einkanalige Übertragungsweg gestattet in jedem Fall nur ein Hören „mit einem Ohr", denn in der Übermittlung des akustischen Informationsgehaltes fehlt eine wichtige Größe, die Ortungsinformation.

Bekanntlich können akustische Signale entsprechend der Tonhöhe und der Lautstärke differenziert werden. Hinzu kommt jedoch noch eine weitere Eigenschaft des Gehörs, nämlich die Erfassung und richtungsmäßige Auswertung von Schallwellen, die mit einem Zeitunterschied eintreffen.

Die Ortungsinformation entsteht also durch Zusammenwirkung von Intensitätsunterschieden und Laufzeitdifferenzen. Es leuchtet ein, daß eine einkanalige Aufnahme nur ein Signal einer Schallquelle verarbeitet, so daß keine Intensitätsunterschiede oder Laufzeitdifferenzen aufgezeichnet werden.

Das Fehlen der Ortungsinformation in einer monauralen Übertragung bedeutet, daß der Hörende einzelne Schallquellen, zum Beispiel einzelne Instrumente im Rahmen eines Orchesters, nicht lokalisieren kann. Die Wiedergabe erscheint aus diesem Grunde nicht so durchsichtig und klar wie das Originalklangbild. Auch ein Höchstmaß an technischer Qualität der einzelnen Übertragungsglieder einer monauralen Anlage kann die fehlende Richtungsinformation nicht ersetzen.

Überlegungen, wie eine monaurale Übertragung verbessert werden kann,
führten in den 1950er Jahren zum sogenannten 3 D-Raumklang. Man ging dabei von der Tatsache aus, daß bei jeder Originaldarbietung in einem geschlossenen Raum auch Reflexionen an den Wänden entstehen. Außer dem Direktschall erhält der Hörende also zusätzlich noch ein Schallgemisch von den Seiten oder von hinten.

Untersucht man diese Reflexionssignale, dann ergibt sich, daß tiefe Töne mit einem geringeren Anteil vorhanden sind als mittlere oder hohe Töne. Der Gedanke lag nahe, neben dem vorhandenen Lautsprecher zwei weitere zu verwenden, wobei die beiden zusätzlichen so angeordnet sind, daß sie seitwärts nach links und rechts gegen die Wände strahlen (Bild 2). Diese Lautsprecher sollten nur im mittleren und hohen Frequenzbereich arbeiten.

Damit erreichte man in der Tat eine Verbesserung der monauralen Wiedergabe. Der Hörende registrierte infolge des Reflexionsschalls ein angenehmeres Klangbild, das ihm im Vergleich mit der Wiedergabe ohne Seitenlautsprecher eher die Illusion vermittelte, der Originaldarbietung beizuwohnen. Eine Richtungsbestimmung einzelner Instrumente und damit eine höhere Durchsichtigkeit des Klangbildes konnte mit dem einkanaligen 3 D-Raumklang jedoch nicht erreicht werden.

Bezüglich der Ortungsinformation verhält es sich bei der Stereofonie anders, bei der man zwei getrennte Übertragungswege benutzt. Das Prinzip der Stereoübertragung ist im Bild 3 dargestellt. Ordnet man an Stelle der parallel geschalteten Mikrofone in Bild 1 jetzt zwei Mikrofone an (Bild 3), so werden in diesen ersten Gliedern der Übertragungskette elektrische Signale erzeugt, die ein Abbild der jeweils verschiedenen Schalldruckverhältnisse sind.

Seitwärts versetzte Schallquellen ergeben verschiedene elektrische Spannungen an beiden Mikrofonen, und zwar verschieden in der Intensität und in der Laufzeit. Wenn diese Spannungen über zwei vollkommen getrennte Kanäle auf zwei entsprechend Bild 3 angeordnete Lautsprecher gegeben werden, erzeugt jeder Lautsprecher wiederum einen Schalldruck, der identisch ist mit dem Schalldruck am entsprechenden Mikrofon.

Aufgrund der Übertragung von zwei getrennten Kanälen wird automatisch auch die Richtungsinformation übermittelt. Im Wiedergaberaum liegt dann ein plastisches Klangbild vor, und einzelne Instrumente eines Orchesters können lokalisiert werden. Wenn man sich auch beim Anhören einer Musikübertragung nicht auf solche Lokalisationen bewußt konzentriert, so erscheint das stereofonische Klangbild doch weitaus durchsichtiger als eine monaurale Wiedergabe.

Bei der Einführung der Stereofonie wurde oft angenommen, daß die Wiedergabe über zwei Lautsprecher nur ausgeprägte Links-Rechts-Effekte ergibt. Das ist jedoch nicht der Fall. Obgleich beide Lautsprecher als Schallquellen anzusehen sind, entsteht infolge der verschiedenen Intensitätsverhältnisse auch zwischen den Lautsprechern ein „ausgefüllter" Raum (Bild 4).

Stellt man sich vor, daß sich im Rahmen einer Aufnahme eine Schallquelle beispielsweise von rechts nach links ständig bewegt hat, so entsteht durch die Übertragung mit zwei Stereo-Lautsprechern der gleiche Bewegungsablauf im Wiedergaberaum. Die Einführung der Stereofonie war ein bedeutsamer Schritt auf dem Gebiet der Musikwiedergabe, eine Tatsache, die darin zum Ausdruck kommt, daß heute alle hochwertigen Übertragungssysteme in Zweikanal-Technik ausgeführt sind und stereofonische Aufzeichnungen in einem reichhaltigen Programm angeboten werden.
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Ein Nachteil der Stereo-Übertragung besteht darin, daß die durch Reflexionen der Schallwellen an den Konzertsaalwänden entstehenden Rauminformationen nicht in genügendem Maße übertragen bzw. von den beiden Stereo-Lautsprechern wiedergegeben werden.

Nun sind im Stereosignal jedoch Signalanteile enthalten, die man als Seiten- oder Differenzsignale bezeichnet. Man erhält sie durch Bilden der Differenz aus den beiden Stereo-Informationen, d. h. es entstehen (L-R) und (R-L). Dieser Seitenschall besteht in erster Linie aus den reflektierten Anteilen des Orchesterschalls.

Ausgehend von dieser Erkenntnis wurden Überlegungen angestellt, diese Rauminformationen bei der Reproduktion auszunutzen und dadurch die Stereowiedergabe zu verbessern (siehe auch Kontakte Nr. 26, Seite 16).

Hierzu ist es erforderlich, aus den Stereokanälen L und R ein Differenzsignal zu bilden und den rückwärtig angeordneten Lautsprechern zuzuführen. Diese strahlen dann die Rauminformation in den Wiedergaberaum, wobei im Prinzip ähnliche Überlegungen realisiert werden wie beim 3 D-Raumklang. Die Ergebnisse sind natürlich wesentlich besser, weil die Stereoübertragung günstigere Voraussetzungen bietet als die Monotechnik.

Bei der Musikübertragung mit Hilfe der Quadrofonie-Technik sind außer den beiden Stereo-Kanälen zwei weitere Informationskanäle erforderlich. Es handelt sich hier also um eine Vierkanal-Technik (Bild 5).

Als "Ausgangspunkt" für die Quadrofonie gelten die Reflexionsverhältnisse in einem Konzertsaal.
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• Anmerkung : Dieser "Ausgangspunkt" war ein lange anhaltender Streit unter den Künstlern und Tonmeistern. Wo sitzt der Zuhörer ? Vor dem Orchester oder im Orchester ?

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Bei den Erläuterungen des 3 D-Raumklangs wurde erwähnt, daß der Zuhörer im Konzertsaal sowohl Direktschall von vorn als auch den sogenannten Reflexionsschall von allen Seiten erhält.

Dieser Reflexionsschall trifft den Hörer jedoch immer etwas später als der Direktschall. Der Grund dafür ist, daß eine von den Wänden reflektierte Schallwelle einen weiteren Weg zurücklegen muß als der Direktschall (Bild 6).

Messungen des Intensitätsverhältnisses zwischen Reflexions- und Direktschall haben ergeben, daß im Konzertsaal an einem "akustisch guten Zuhörerplatz" die Intensität des Reflexionsschallfeldes wesentlich höher ist als die Intensität des direkten Schalls. Nur unmittelbar vor dem Orchester sind die Intensitäten dieser beiden Schallfelder gleich.

Es sei hier darauf hingewiesen, daß die akustisch besten Sitzplätze in einem Konzertsaal nicht unmittelbar vor dem Orchester, sondern weiter hinten liegen, wobei die Intensitätsverhältnisse des reflektierten zum direkten Schall eine große Rolle spielen.

Daraus ist zu ermessen, welche Bedeutung dem indirekten Schallfeld zukommt. Daß trotz der geringen Intensität des Direktschalls eine Ortung der Schallquellen überhaupt möglich ist, liegt daran, daß das Gehör in bezug auf die Richtungsbestimmung immer nur das zuerst ankommende Signal auswertet, also den Direktschall.

Um die Konzertsaalakustik annähernd naturgetreu in einem Wiedergaberaum zu reproduzieren, ist es also erforderlich, einen entsprechend dosierten Reflexionsschall mit zu übertragen. Hierzu dienen (gegenüber der Stereofonie) die beiden zusätzlichen Kanäle, die die Reflexionsinformationen enthalten und die auf die beiden rückwärtigen Lautsprecher gegeben werden.

Die beiden rückwärtigen Lautsprecher geben bei der Wiedergabe einen Schalldruck ab, der den Reflexionssignalen proportional ist. Bei richtiger Dosierung der Intensitäten eines aufgenommenen Musikprogramms bestehen dann für den Zuhörer im Wiedergaberaum annähernd die gleichen akustischen Bedingungen wie an einem guten Platz im Konzertsaal.

Die durch den Abstand der Lautsprecher vom Zuhörer bedingten Schalldrucklaufzeiten sind sehr gering und können vernachlässigt werden. Die Voraussetzungen für gute quadrofonische Übertragungen sind :
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• Alle Übertragungsglieder der vier Kanäle müssen in technischer Hinsicht einwandfrei sein.
• Eine gegenseitige Beeinflussung der Kanäle untereinander darf nicht vorliegen.
• Wenn eine Speicherung vorgenommen wird, beispielsweise auf Schallplatten, dann darf keine Verfälschung der Informationsinhalte erfolgen.
• Bei der Aufnahme eines Musikprogramms sind die unterschiedlichen Intensitäten und Laufzeiten sorgfältig aufeinander abzustimmen.
• Auf der Wiedergabeseite muß entsprechend dem Programminhalt und unter Berücksichtigung der Raumverhältnisse ein ausgewogenes Klangbild eingestellt werden können, wobei die Intensitäten der rückwärtigen Lautsprecher im Vergleich zum Direktschall besonders zu beachten sind.

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Werden diese Voraussetzungen erfüllt, dann ergibt sich für den Zuhörer ein der Originaldarbietung fast gleiches Klangerlebnis. Fülle und Durchsichtigkeit des Orchesters mit den einzelnen Instrumenten sind ebenso ausgeprägt wie im Konzertsaal. Der Gewinn gegenüber der Stereofonie-Übertragung ist bemerkenswert und erstreckt sich nicht nur auf die Illusion eines weitaus größeren, akustisch optimal ausgelegten Raumes, sondern auch auf das zusätzliche Empfinden einer gewissen Tiefenstaffelung der einzelnen Schallquellen.

Die Quadrofonie ist unter diesen Aspekten ein beachtlicher Fortschritt auf dem Wege zur naturgetreuen Klangwiedergabe.

Wegen der komplizierten Aufbereitung eines vierkanaligen Signals in Form einer Schallplatteninformation wurden die ersten Quadrofonievorführungen ausschließlich mit Programmen veranstaltet, die auf Tonbändern gespeichert sind und aus vier getrennten Spuren bestehen.

Man benötigt also auch vier Verstärker (d. h. zwei Stereogeräte) und vier Lautsprecherboxen. Jeder Kanal läßt sich getrennt wiedergeben, was mit dem englischen Ausdruck „discret" bezeichnet wird.

Wünscht man jedoch ein Quadroverfahren mit nur zwei Übertragungs-Kanälen, so muß man die erforderlichen dritten und vierten Informationen gezwungenermaßen in die beiden Kanäle einbauen, so daß zwei neue, speziell codierte Kanäle entstehen. Systeme dieser Art heißen „Matrix"-Systeme.

Man kann die Unterschiede der Systeme auch mit Ziffernkombinationen ausdrücken. Ein von Anfang bis Ende vierkanaliges (diskretes) Verfahren wird dann mit 4-4-4 bezeichnet, wogegen die Matrix-Systeme mit 4-2-4 und die Pseudo-Quadroverfahren (z. B. Stereo-4-Raumklang) als 2-2-4-Systeme gekennzeichnet werden.

Viele Überlegungen wurden in den letzten Jahren angestellt, wie überhaupt eine quadrofonische Übertragung mit Schallplatten durchgeführt werden kann, denn dabei sind folgende grundsätzliche Forderungen zu erfüllen.
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• • Im Gegensatz zur Stereo-Übertragung sind bei der Quadrofonie vier Kanäle notwendig, die unabhängig voneinander in der Schallplattenrille mit ihren beiden Rillenflanken untergebracht werden müssen.
• • Eine quadrofonische Schallplatte soll kompatibel sein. Darunter versteht man die Möglichkeit, eine in Quadro-Technik aufgenommene Schallplatte auch stereofonisch ohne Verlust an Informationsgehalt wiedergeben zu können.
• • Der Aufwand und die Handhabung des Verfahrens sowohl auf der Aufnahme- als auch auf der Wiedergabeseite müssen erträglich sein. Darüber hinaus mußten Überlegungen mit einbezogen werden, ob eine geeignete Quadrofonie-Technik für Schallplatten gleichzeitig auch für UKW-Rundfunkzwecke in Frage kommen kann.

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Bei einem Vergleich zwischen Schallplatten- und Rundfunktechnik ergibt sich, daß grundsätzlich auf der Schallplatte mehr Informationsgehalt als in einem UKW-Kanal unterzubringen ist. Es bot sich als mögliche Lösung für Schallplatten an, die beiden erforderlichen zusätzlichen Informationskanäle unabhängig voneinander und unabhängig von den üblichen Stereosignalen durch eine Ausdehnung des Frequenzbereiches nach oben zu übertragen, das heißt, dafür den Ultraschallbereich zu verwenden. Dieses Prinzip kann für UKW-Übertragungen jedoch nicht in jedem Fall eingesetzt werden, da z. B. in Europa durch das 100-kHz-Raster die zur Verfügung stehende Frequenzbandbreite bereits voll ausgenutzt ist.

Von den japanischen Firmen JVC Nivico und Matsushita wurde das quadrofonische CD-4-System entwickelt (CD-4 heißt „Compatible Discrete 4-Channel").

Der Grundgedanke der diskreten Wiedergabe von Signalen auf einer Schallplatte besteht darin, die Kanäle so aufzuteilen, daß beim Abtasten mit einer normalen Stereoanlage nach wie vor das Links- und Rechtssignal zur Verfügung stehen.

Bei etwa 15 kHz erfolgt bei CD-4 die Begrenzung des niederfrequenten Signals. Weiterhin bringt man auf die Platte einen frequenzmodulierten Träger mit einer Mittenfrequenz von 30kHz auf, der mit -10kHz und +15kHz moduliert wird, so daß sich eine (unbedingt notwendige sehr grenzwertige) Gesamtbandbreite von 45kHz ergibt (Bild 7). Die Absenkung des frequenzmodulierten Signals gegenüber dem normal aufgebrachten beträgt etwa 19 dB.

Die Schwierigkeiten bei der Aufnahme bestehen darin, diese hohen Frequenzen vom Band auf die leere Lackplatte zu überspielen. Heute ist man bereits so weit, daß man dies mit der halben Normalgeschwindigkeit durchführen kann, mit der die meisten Schneidemaschinen ausgerüstet sind.

Der weitere Vorgang der Plattenherstellung entspricht dem der Stereoplatten und erfordert keine besonderen Vorkehrungen in bezug auf Staub oder ähnliche Verschmutzungserscheinungen. Zur Wiedergabe dieser Schallplatten benötigt man neben einem HiFi-Laufwerk, das die Geschwindigkeit mit ±1% genau einhalten muß, einen besonderen Tonabnehmer, der den Frequenzbereich bis etwa 50kHz ohne große Welligkeit überstreicht.

Des weiteren empfiehlt sich eine spezielle Abtastnadel, die aufgrund ihrer besonderen Formgebung eine größere Auflagefläche und daher eine geringere Abnutzung der Platte und des Diamanten mit sich bringt.

• Anmerkung : Diese etwas vage Theorie ist leider nicht korrekt und aus der Funkschau ohne weitere Verifikation übernommen.

Über kapazitätsarme Kabel gelangt das Signal nun an einen Decoder, der in der Lage ist, die Signalanteile wieder zu trennen. Das niederfrequente Signal (bis 15 kHz) wird durch Bandpaßfilter vom hochfrequenten getrennt und gelangt direkt an die Ausgangsmatrix (in Stereo), während das höherfrequente Signal über ein Bandpaßfilter, einen FM-Detektor und ein Rauschunter- drückungssystem ebenfalls zur Matrix (?? oder ist der Demodulator gemeint ??) gelangt.

Ein wesentlicher Vorteil des CD-4-Systems gegenüber den Matrixsystemen ist die gute Kanaltrennung, die nach Herstellerangabe zwischen Links-Rechts bei 1 kHz mehr als 45 dB und zwischen Vorne-Hinten mehr als 30 dB beträgt. Nachteilig für UKW-Rundfunkübertragungen ist die erforderliche große Bandbreite.

• Anmerkung :
  Wiederum verschwiegen wurde ein ganz erheblicher Nachteil : Das funktioniert nur mit allerbester Hardware und super tollen Geräten und ist dennoch überaus sensibel und diffizil von der Bedienung und Sauberheit her. Weiterhin müssen bei einer CD-4 Ergänzung die 20kHz Filter im Tonabnehmer-Vorverstärker überprüft bzw. entfernt werden, wenn nicht der kombinierte Demodulator (z.B. von Grundig) samt Entzerrer verwendet wird.

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Die japanische Firma Sony und die amerikanische Firma CBS entwickelten das quadrofonische SQ-System (SQ heißt „Stereo Quadrophonie"). Bei der SQ-Technik werden die vier Informationskanäle vor der Aufzeichnung so codiert und zusammengefaßt, daß nur zwei Kanäle (wie bei der Stereofonie) aufgezeichnet werden. Bild 8 zeigt schematisch die Umwandlung der vier voneinander unabhängigen Kanäle mit einem Coder in zwei Kanäle.

Die Aufgabe des Coders ist es also, die vier verschiedenen Informationen Lv (vorn links), Lh (hinten links), Rh (hinten rechts) und Ry (vorn rechts) so zu zwei Kanälen zusammenzufassen, daß durch eine entsprechende Decodierschaltung wieder eine einwandfreie Aufspaltung in die ursprünglichen Kanäle möglich ist.

Ein Informationsverlust oder eine gegenseitige Beeinflussung der vier Kanäle "darf" dabei jedoch nicht eintreten. Auf der Wiedergabeseite werden die beiden codierten Kanal-Modulationen mit dem Tonabnehmer zweikanalig abgetastet, wobei ein Unterschied im Abtastvorgang gegenüber der üblichen Stereo-Technik nicht vorliegt. Die im Tonabnehmer entstehenden elektrischen Spannungen entsprechen (unter der Voraussetzung, daß sowohl beim Aufzeichnen mit der Schneidapparatur als auch im Abtastsystem keine Verfälschungen erzeugt werden) genau den vom Coder vor der Aufzeichnung gebildeten Spannungen. Im nachgeschalteten Decoder erfolgt die Aufschlüsselung der codierten Informationen L und R in die vier ursprünglichen Kanäle.

Die Tatsache, daß die beiden Kanäle Ly und Ry in gleicher Weise wie bei der üblichen Stereo-Schallplatte aufgezeichnet werden, bedeutet, daß die geforderte Kompatibilität gewährleistet ist. Eine Quadro-Schallplatte nach dem SQ-Verfahren kann also auch stereofonisch wiedergegeben werden. Außerdem können die elektrischen Signale der Kanäle L und R - also in codierter Form - auch einem UKW-Sender in der herkömmlichen Weise zugeführt werden. Auf der Empfängerseite ist zunächst eine Signalaufbereitung - wie bisher bei UKW-Stereo-Empfang - durchzuführen. Im gleichen SQ-Decoder, wie er für die Schallplatten-Wiedergabe erforderlich ist, erfolgt anschließend die Trennung in die vier Kanäle.

Das SQ-Verfahren hat neben der Verwendbarkeit für UKW-Rundfunkübertragungen den Vorteil, daß heute übliche hochwertige Abtastsysteme und Plattenspieler verwendet werden können. Als nachteilig gegenüber dem diskreten Verfahren ist u. a. die schlechtere Kanaltrennung (besser : die sehr schlechte Trennung) zu nennen, die ein stärkeres Übersprechen zur Folge hat.

Die beiden vorstehend erwähnten Verfahren sind die bei uns z. Z. bekanntesten und verbreitetsten. Es gibt aber noch andere Systeme, die eine quadrofonische Übertragung und Wiedergabe ermöglichen.

Hierzu gehört z. B. das von der japanischen Firma Sansui herausgebrachte QS-Verfahren, das sich durch eine gute Ortungsmöglichkeit von Schallquellen in einem Raum auszeichnen soll und auf dem ein weiteres japanisches Quadrosystem beruht, die sogenannte RM-Version (Regulär matrix).

Ebenfalls ein Matrix-System ist das sogenannte QMX-Verfahren, das eine vierkanalige Version des „Universal-Matrix-Systems" aus den USA ist, und das von der Firma Nippon Columbia praktisch ausgeführt wurde. QMX soll sich durch besonders gute quadrofonische, aber auch stereofonische und monofonische Wiedergabe auszeichnen.

Es arbeitet (ähnlich wie CD-4) mit frequenzmodulierten 30kHz-Trägern, deren Bandbreite jedoch schmaler ist, so daß dieses Verfahren auch für die Rundfunkübertragung verwendbar sein könnte.

Abschließend bleibt zu sagen, daß sich aus dem System-Wirrwarr möglichst bald eine Lösung herauskristallisieren sollte, die - wie seinerzeit bei der Einführung der Stereofonie - allgemein verbindliche Richtlinien enthält und damit die jetzige Ungewißheit zugunsten einer Norm beendet.


Bild 1 Monaurale Übertragung mit nur einem Übertragungsweg.
Bild 2 Prinzip des 3 D-Raumklangs.

Bild 3 Stereofonische Übertragung mit zwei Übertragungswegen.
Bild 4 Stereofonische Wiedergabe: a) beide Lautsprecher strahlen den gleichen Schalldruck ab (Schallquelle in der Mitte) und b) beide Lautsprecher strahlen unterschiedlichen Schalldruck ab (Schallquelle nach links verschoben).
Bild 5 Quadrofonische Übertragung mit vier Übertragungswegen.
Bild 6 Schallverteilung in einem geschlossenen Raum.
Bild 7 Aufteilung der Signale beim CD-4-Verfahren und Zuordnung auf die Rillenflanken. Das Links-Signal (L) besteht demnach aus dem Haupttonsignal (Ly + Ln) und dem zusätzlichen frequenzmodulierten Trägersignal (La- - Ln), Entsprechendes gilt für das Rechts-Signal (R).
Bild 8 Schematische Darstellung der Aufzeichnung und Abtastung nach dem SQ-Verfahren.