Dolby Digital Plus (E-AC-3)

Dolby Digital Plus ist der verlustbehaftete Nachfolger von Dolby Digital. Technisch heißt das Verfahren Enhanced AC-3, kurz E-AC-3, und es steht im Anhang E derselben Spezifikation wie sein Vorgänger. Die acht Dolby-Entwickler um Louis D. Fielder, die es 2004 auf der AES-Convention in San Francisco vorstellten, beschrieben es als Erweiterung des bestehenden Standards unter Beibehaltung seiner Metadaten, seiner Filterbank und seiner Rahmenstruktur — mit einem Datenratenbereich von 32 kbit/s bis 6,144 Mbit/s statt der 32 bis 640 kbit/s des Vorgängers.

Ausführliche Erklärung

Zwei Richtungen zugleich: sparsamer und größer

Der Vorgänger hatte eine feste Treppe von 19 Datenraten zwischen 32 und 640 kbit/s. Dolby Digital Plus spannt denselben Bogen weiter und macht ihn zugleich feiner: Die Ratensteuerung arbeitet im günstigsten Fall in Schritten von einem Drittel Bit je Sekunde — der AES-Beitrag nennt dafür 32 kHz Abtastrate und einen Rahmen aus sechs Blöcken; mit höherer Abtastrate wird die Schrittweite gröber, mit längerem Rahmen feiner. Nach oben endet der Bereich bei 6,144 Mbit/s.

Möglich wird der obere Teil durch einen Eingriff in die Rahmenstruktur. Ein AC-3-Rahmen besteht immer aus sechs Transformationsblöcken; E-AC-3 erlaubt zusätzlich Rahmen aus einem, zwei oder drei Blöcken. Das klingt nach einer Nebensächlichkeit, hat aber einen handfesten Zweck: In Formaten, die die Datenmenge je Rahmen begrenzen, lassen sich damit Raten über 640 kbit/s überhaupt erst unterbringen.

Nach unten zählt die andere Hälfte. Die neuen Werkzeuge — eine verbesserte Filterbank, feinere Quantisierung, erweiterte Kanalkopplung, Spectral Extension und eine Vorrauschbehandlung bei Transienten — sind dafür da, bei kleinen Raten mehr herauszuholen. Dolby beziffert das Ergebnis für die eigene Familie mit ungefähr der halben Datenrate bei vergleichbarer Qualität; das ist eine Herstellerangabe und keine Messgröße.

Der Aufbau: ein Kern mit 5.1 und Erweiterungen darüber

Für mehr als 5.1 Kanäle hätte es zwei Wege gegeben. Der eine ist das Rematrizieren: Aus einer Stereomischung und Zusatzströmen wird beim Abspielen wieder eine größere Mischung gerechnet. Dolby verwarf ihn mit einer nachvollziehbaren Begründung — beim Zurückrechnen landen Codierartefakte und Nutzsignal auf verschiedenen Lautsprechern, und was vorher verdeckt war, wird dabei hörbar.

Der gewählte Weg steht in der Norm als Substream-Struktur. Ein E-AC-3-Bitstrom enthält mindestens einen unabhängig dekodierbaren Substream mit der Nummer 0; jeder Dekoder muss ihn beherrschen und alle weiteren überspringen können. Führt ein Programm mehr als 5.1 Kanäle, enthält Substream 0 eine vollständige 5.1-Abmischung, und abhängige Substreams ersetzen oder ergänzen einzelne Kanäle darin. Bei einer 7.1-Mischung heißt das konkret: Im Kern stehen die beiden Surround-Kanäle als Mischung aus Surround und Back, in der Erweiterung stehen die vier getrennt. Ein 5.1-Dekoder liest nur den Kern und hört eine saubere 5.1-Fassung; ein 7.1-Dekoder ersetzt die beiden gemischten Kanäle durch die vier eigenen.

Auf der Blu-ray ist es enger als das Format erlaubt

Die Formatgrenze von 6,144 Mbit/s spielt auf der Scheibe keine Rolle. Dolby nennt dort 640 kbit/s für den Kernrahmen und 1,024 Mbit/s für den Erweiterungsrahmen, zusammen also 1,7 Mbit/s; ein Ausbau auf vier Erweiterungsrahmen und damit 4,7 Mbit/s stand 2008 als Möglichkeit im Raum, falls das Format je mehr als acht diskrete Kanäle vorsehen sollte.

Ein Detail dieser Auslegung erklärt eine Fähigkeit, die sonst rätselhaft wirkt: Weil die Blu-ray keine Paketbeschränkung kennt, arbeitet das Verfahren dort immer mit vollen Sechs-Block-Rahmen — genau wie Dolby Digital. Kern- und Erweiterungsrahmen haben deshalb denselben Aufbau, und der Kernrahmen lässt sich ohne jede Umwandlung an den Digitalausgang weiterreichen.

Umpacken statt neu codieren

Die wichtigste Eigenschaft für die Praxis ist der Rückweg. Weil beide Verfahren dieselbe Filterbank, dieselbe Blockausrichtung, dasselbe Bitzuteilungsverfahren und dieselbe Rahmenstruktur verwenden, lässt sich ein E-AC-3-Strom in einen AC-3-Strom umpacken, ohne ihn zwischendurch nach PCM zu dekodieren und neu zu codieren. Der AES-Beitrag nennt die dafür zuständige Stufe einen besonderen Transcoder, der die Quantisierung der Transformationskoeffizienten möglichst unangetastet lässt — genau daran hängt es, dass beim Umpacken kaum etwas verlorengeht. Das Ergebnis ist immer ein Strom mit 640 kbit/s, notfalls durch Auffüllen.

Diesen Weg nimmt jeder Kabel- oder Satellitenempfänger, der einen Digitalausgang hat, und jeder Blu-ray-Zuspieler mit Dolby-Digital-Compatible-Output. Er ist der Grund, warum ein zwanzig Jahre alter Verstärker an einer modernen Quelle immer noch sinnvoll läuft.

Warum nicht durch die optische Buchse

Für die Übertragung über eine Zweikanal-Digitalverbindung hat die Normreihe IEC 61937 dem Verfahren den Datentyp 21 zugewiesen, mit einer Wiederholperiode von 6 144 Rahmen — dem Vierfachen dessen, was für AC-3 gilt. Die Verbindung muss dafür mit der vierfachen Rahmenfrequenz laufen, bei 48-kHz-Material also mit 192 kHz, und daran endet der optische Weg. Die Rechnung und die Bauteilgrenze stehen bei Was über S/PDIF und TOSLINK passt und werden hier nicht wiederholt.

Häufiges Missverständnis

„Plus heißt besser als Dolby Digital." Das Format kann mehr — mehr Kanäle, mehr Datenrate, feinere Steuerung. Was davon ankommt, entscheidet aber der Absender. Netflix fährt 5.1 auf einer Leiter von 192 bis 640 kbit/s und passt die Stufe seit 2019 laufend an die Netzlage an; dieselbe Szene kann heute mit 640 und morgen mit 192 kbit/s ankommen, ohne dass die Anlage etwas anzeigt. Ein 640-kbit/s-Strom im alten Format von einer Blu-ray kann also durchaus mehr Substanz haben als ein 192-kbit/s-Strom im neuen. Die Formatbezeichnung allein beantwortet die Qualitätsfrage nicht.

„Wenn Atmos angezeigt wird, ist der Ton so gut wie auf der Scheibe." Dolby Atmos reist in einem Träger mit, und Dolby Digital Plus ist der verlustbehaftete der beiden vorgesehenen. Netflix nennt für seine höchste Atmos-Stufe 768 kbit/s; auf der Scheibe liegt dieselbe Objektinformation im verlustfreien Träger mit einem Vielfachen davon. Die Anzeige am Verstärker beschreibt die Objektinformation und sagt über den Träger darunter nichts. Was daraus für die Gerätekette folgt, führt Dolby Atmos übertragen aus.

„Mein Verstärker kann Dolby Digital, dann kann er auch Plus." Die Abwärtsrichtung stimmt und die Aufwärtsrichtung nicht: Ein DD+-Dekoder versteht auch AC-3, umgekehrt gilt das nicht. Wo der Verstärker das neuere Format nicht beherrscht, muss ein Gerät davor umpacken — und ob es das tut, steht im Datenblatt des Zuspielers und nicht in dem des Verstärkers.

Nicht zu verwechseln mit

Dolby Digital (AC-3) ist der Vorgänger und zugleich das Ziel des Umpackens. Er bleibt in jeder Kette der Rückfallweg; Einzelheiten bei Dolby Digital.

Dolby TrueHD ist ein getrennter, verlustfreier Codec ohne technische Verwandtschaft. Es gibt keine verlustfreie Erweiterung von Dolby Digital Plus — Dolby hat sich ausdrücklich dagegen entschieden und begründet das im eigenen Techpaper. Was daraus folgt, steht bei Dolby TrueHD.

DTS-HD High Resolution Audio ist das nächstliegende Gegenstück aus der anderen Familie: ebenfalls verlustbehaftet, ebenfalls oberhalb des jeweiligen Basiscodecs angesiedelt. Der Aufbau ist trotzdem ein anderer, weil DTS seine Erweiterung auf einen verlustbehafteten Kern setzt; siehe DTS-HD.

Dolby Atmos benennt keinen Codec. Es ist die Objektinformation, die in diesem Format oder in Dolby TrueHD mitreist; das Prinzip dahinter erklärt die Technologieseite zum objektbasierten Ton.

Warum derselbe Film zweimal verschieden klingt

Ein Kunde beschreibt eine Beobachtung, die zunächst nach einem Defekt klingt: Dieselbe Serienfolge über denselben Dienst wirkt an manchen Abenden voller als an anderen, und die Anzeige am Verstärker ändert sich dabei nicht.

Die Erklärung liegt in einer Eigenschaft dieses Formats, die bei den älteren Codecs so nicht vorkommt: Weil die Datenrate feinstufig steuerbar ist, können Dienste den Ton auf einer Leiter ausspielen und die Stufe laufend an die Leitung anpassen. Netflix beschreibt genau das seit 2019 und nennt für 5.1 eine Leiter von 192 bis 640 kbit/s. Die Formatkennung im Datenstrom bleibt dabei dieselbe, deshalb steht am Verstärker immer derselbe Name.

Für die Beratung folgt daraus etwas Unbequemes: Der Ton eines Dienstes lässt sich nicht als feste Größe planen, wie es bei einer Scheibe geht. Was sich planen lässt, ist die Kette darum herum — eine belastbare Anbindung, ein Weg, der das Format überhaupt durchlässt, und ein Verstärker, der es selbst dekodiert, statt sich etwas umpacken zu lassen.

Am Gerät bleibt eine Frage übrig, die häufig übersehen wird: Wo im Signalweg wird dekodiert? Solange ein Fernseher oder Empfänger den Datenstrom entgegennimmt und selbst etwas anderes weitergibt, hängt das Ergebnis an diesem Gerät und nicht am Prozessor dahinter.

Verknüpfte Inhalte

Der Vorgänger, auf den dieses Format zurückfällt, steht bei Dolby Digital; das verlustfreie Gegenstück derselben Familie bei Dolby TrueHD. Warum die Rahmenfrequenz den optischen Weg verschließt, rechnet Was über S/PDIF und TOSLINK passt an der Norm vor.

In welchem Träger Dolby Atmos über welchen Weg ankommt, behandelt Dolby Atmos übertragen; wie weit die Tonformate von Scheibe und Stream auseinanderliegen, vergleicht UHD-Blu-ray gegen Streaming. Warum ein einziger Datenstrom für Stereo und Mehrkanal genügt, klären Downmix und Dialognormalisierung.

Quellen

Der Datenratenbereich von 32 kbit/s bis 6,144 Mbit/s, die feinstufige Ratensteuerung, die kürzeren Rahmen aus einem, zwei oder drei Blöcken, die neuen Codierwerkzeuge und die Beschreibung des Umpackens nach AC-3 stammen aus dem AES-Konferenzbeitrag von acht Dolby-Entwicklern um Louis D. Fielder, vorgetragen im Oktober 2004 in San Francisco und für diese Seite in den Abschnitten 1 bis 3.1.1 am Objekt gelesen.

Die Substream-Struktur — mindestens ein unabhängig dekodierbarer Substream, ein 5.1-Downmix in Substream 0 bei größeren Programmen, abhängige Substreams darüber — steht in ETSI TS 102 366, Anhang E, Abschnitt E.2.8. Die Blu-ray-Werte 640 kbit/s und 1,024 Mbit/s, die Sechs-Block-Rahmen auf der Scheibe, der direkte Weg des Kernrahmens zum Digitalausgang und die Begründung gegen eine verlustfreie Erweiterung stehen im Dolby-Techpaper von 2008 und sind Herstellerdarstellung. Kanalzahl, Abwärtskompatibilität und die Angabe „32 kbit/s bis 6 Mbit/s" nennt Dolby zusätzlich auf der eigenen Technologieseite, dort ohne Datumsangabe.

Der Datentyp 21 und die Wiederholperiode von 6 144 Rahmen stammen aus IEC 61937-3 und sind auf der Seite zu den Zweikanalschnittstellen im Einzelnen belegt. Die Bitratenleiter von 192 bis 640 kbit/s für 5.1 und die Obergrenze von 768 kbit/s für Atmos sind Angaben von Netflix und stehen auf der Vergleichsseite zu Disc und Streaming.