DE19638546A1

DE19638546A1 - Verfahren und Schaltungsanordnung zur Kodierung oder Dekodierung von Audiosignalen

Info

Publication number: DE19638546A1
Application number: DE19638546A
Authority: DE
Inventors: Jens Dipl Ing Spille; Ernst Dr Ing Schroeder
Original assignee: Deutsche Thomson Brandt GmbH
Current assignee: Deutsche Thomson Brandt GmbH
Priority date: 1996-09-20
Filing date: 1996-09-20
Publication date: 1998-03-26
Also published as: JPH10116098A; EP0831596A3; EP0831596A2

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Schaltungs anordnung zur Kodierung oder Dekodierung von Audiosigna len, wobei psychoakustische Effekte ausgenutzt werden und eine Dynamik-Kompression vorgenommen wird.

Stand der Technik

Bei der Audio-Quellencodierung werden zur Reduktion der Datenrate Kenntnisse über das menschliche Gehör ausge nutzt, die aus dem Gebiet der Psychoakustik stammen. Hierbei wird insbesondere die im Tonsignal enthaltene Redundanz und Irrelevanz, d. h. in diesem Zusammenhang überflüssige bzw. nicht wahrnehmbare Information, ausge nutzt. Bei der Irrelevanzreduktion werden einerseits ir relevante Signalkomponenten nicht codiert und damit nicht übertragen. Andererseits werden Verzerrungen toleriert, die durch geringe Quantisierung entstehen, wenn sie auf grund von Verdeckungseffekten vom Gehör nicht registriert werden. Unter Verdeckung wird hierbei ein psychoakusti sches Verhalten des Gehörs verstanden, bei dem ein Ton mit geringem Schallpegel von einem benachbarten Ton mit einem hohen Schallpegel zugedeckt wird. Dieses kann für die Datenreduktion ausgenutzt werden, indem die verdeck ten Signalanteile von denen für den menschlichen Hörein druck signifikanten Anteilen separiert werden. Die Codie rung berücksichtigt dann nur noch die für das Gehör rele vanten Anteile. Aber auch die Codierung der Signale ober halb der Mithörschwelle kann dann mit einer geringen Quantisierung erfolgen, so daß das erzeugte Quantisie rungsrauschen noch unter der Mithörschwelle liegt.

Die Verdeckung wird zum Beispiel beim MUSICAM-Verfahren ausgenutzt. Bei MUSICAM wird das Audiosignal in 32 Teil bänder zerlegt, wobei für jedes Teilband die Mithör schwellen errechnet werden. Hierbei wird sowohl die Ver deckung berücksichtigt als auch ein aus der Ruhehör schwelle resultierendes Quantisierungsrauschen ermittelt.

Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Verbesserung der Signalqualität bei der Wiedergabe von Audiosignalen anzugeben. Diese Aufgabe wird durch das in Anspruch 1 angegebene Verfahren gelöst.

Der Erfindung liegt die weitere Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung zur Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens anzugeben. Diese Aufgabe wird durch die in den Ansprüchen 4 und 7 angegebenen Schaltungsanordnungen ge löst.

Die charakteristischen Eigenschaften der Psychoakustik sind stark von dem Schalldruckpegel des Signals abhängig. Es wird daher üblicherweise eine bestimmte Abhörlautstär ke angenommen. Dieses kann zu einer Beeinträchtigung der Signalqualität führen, wenn das Signal stark nachbearbei tet wird, z. B. mit einem Dynamik-Kompressor oder Dyna mik-Expander.

Wird einem Audio-Encoder gemäß dem Stand der Technik ein Signal S (hier ein Sinussignal) mit geringer Lautstärke (z. B. 60 dB) zur Codierung zugeführt, so wird das Quan tisierungsrauschen N so eingestellt, daß dieses etwas un ter der Ruhehörschwelle T1 von ca. 0 dB liegt (s. Fig. 1A). Wird empfangsseitig am Ausgang des Decoders das Si gnal S nun mit Hilfe einer Dynamik-Kompressions-Schaltung um z. B. 15 dB angehoben, so wird das Quantisierungsrau schen N wahrnehmbar, wie in Fig. 1B dargestellt. Wird auf der anderen Seite ein Audiosignal vor dem Codieren im Studio komprimiert und anschließend empfängerseitig wie der expandiert, so führt die Lautstärkeabhängigkeit der Verdeckungskurve zu einer Signalverschlechterung. Wie in Fig. 2 dargestellt, verändert die Verdeckungskurve T2 ih re Steilheit in Abhängigkeit von der Lautstärke. So ist sie für große Lautstärken im höherfrequenten Bereich fla cher (s. Fig. 2A) als für geringe Lautstärken (s. Fig. 2B), d. h. das menschliche Ohr ist bei geringen Lautstär ken für hohe Töne empfindlicher als bei großen Lautstär ken. Wird ein komprimiertes, lautes Signal S codiert, so kann man daher ein vergleichsweise hohes Quantisierungs rauschen N zulassen. Wird dieses Signal jedoch nach der Decodierung expandiert, so wird die tatsächliche Verdec kungskurve im menschlichen Ohr wesentlich steiler und das Quantisierungsrauschen dadurch wahrnehmbar. Um diese Si gnalverschlechterungen zu vermeiden, könnte man zwar ge nerell von einer Ruhehörschwelle mit deutlich niedrigerem Pegel bzw. von einem deutlich geringeren Schalldruck aus gehen, dieses würde jedoch zu einer merklich höheren Da tenrate führen.

Im Prinzip besteht daher das erfindungsgemäße Verfahren zur Kodierung und Dekodierung von Audiosignalen, bei dem psychoakustische Effekte ausgenutzt werden und eine Dyna mik-Kompression vorgenommen wird, darin, daß bei der Ko dierung ein psychoakustischer Kennwert oder mehrere psy choakustische Kennwerte in Abhängigkeit von der Dynamik-Kompression gewählt werden und daß die Decodierung unter Verwendung dieser Kennwerte erfolgt.

Vorteilhaft wird die Dynamik-Kompression decoderseitig nach der Decodierung vorgenommen. Vorzugsweise handelt es sich dann bei einem psychoakustischen Kennwert um den Pe gel der Ruhehörschwelle.

Vorteilhaft ist ebenso, decoderseitig eine Dynamik-Expansion der encoderseitig komprimierten Signale vorzu nehmen. Dann handelt es sich vorzugsweise bei einem psy choakustischen Kennwert um die Steilheit der Verdeckungs kurve.

Im Prinzip besteht die erfindungsgemäße Schaltungsanord nung zur Encodierung aus einem Encoder zur Kodierung von Audiosignalen, bei dem psychoakustische Effekte ausge nutzt werden, und einer Einheit zur Gewinnung eines Kom pressionsfaktors, der für eine Dynamik-Kompression der Audiosignale verwendet wird, wobei dem Encoder von der Einheit zur Kompressionsfaktor-Gewinnung ein Kompressi onsfaktor-Signal zugeführt wird, von dem ein psychoaku stischer Kennwert bei der Kodierung im Encoder abhängig ist.

Vorzugsweise enthält das Kompressionsfaktor-Signal eine Information über den aktuellen Lautstärkepegel und/oder über den aktuellen Kompressionsfaktor.

Vorteilhaft wird das Audiosignal der Einheit zur Kompres sionsfaktorgewinnung und das Kompressionsfaktor-Signal zusätzlich einem Dynamik-Kompressor zugeführt, der das Audiosignal vor der Codierung komprimiert, wobei das kom primierte Audiosignal dann dem Audioencoder zugeführt wird.

Im Prinzip besteht die erfindungsgemäße Schaltungsanord nung zur Decodierung aus einem Decoder zur Dekodierung von Audiosignalen, die unter Ausnutzung psychoakustischer Effekte kodiert wurden, und einer Einheit zur Änderung des Dynamikbereiches des Audiosignals, wobei der Einheit zur Änderung des Dynamikbereiches ein Kompressionsfaktor-Signal zugeführt wird, von dem ein psychoakustischer Kennwert bei der Kodierung im Encoder abhängig gewesen ist, wobei die decoderseitige Änderung des Dynamikberei ches von dem zugeführten Kompressionsfaktor-Signal abhän gig ist.

Es ist hierbei von Vorteil, wenn einer Einheit zur Kom pressionsfaktorgewinnung die dekodierten Audiosignale zu geführt werden und ein von dieser Einheit erzeugtes Kom pressionsfaktor-Signal der Einheit zur Änderung des Dyna mikbereiches zugeführt wird, wobei diese Einheit eine Dy namik-Kompression der decodierten Audiosignale vornimmt.

Vorteilhaft ist ebenso, wenn ein encoderseitig erzeugtes Kompressionsfaktor-Signal der Einheit zur Änderung des Dynamikbereiches zugeführt wird, wobei diese Einheit eine Dynamik-Expansion der encoderseitig komprimierten Audio signale vornimmt.

Zeichnungen

Anhand der Zeichnungen werden Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben. Diese zeigen in:

Fig. 1 ein Audiosignal nach der Dekodierung mit Verdec kungsschwelle und Quantisierungsrauschen vor (A) und nach (B) einer Dynamik-Expansion;

Fig. 2 ein Audiosignal nach der Dekodierung mit Ruhe hörschwelle und Quantisierungsrauschen vor (A) und nach (B) einer Dynamik-Kompression;

Fig. 3 das erfindungsgemäße Verfahren mit Dynamik-Kompressor;

Fig. 4 das erfindungsgemäße Verfahren mit Dynamik-Expander.

Ausführungs-Beispiele

In Fig. 3 ist das erfindungsgemäße Verfahren mit emp fangsseitiger Dynamik-Kompression dargestellt. Ein sol ches Verfahren ist insbesondere bei der Wiedergabe von Audiosignalen durch einfache Wiedergabegeräte oder Auto radios von Interesse. In solchen Fällen ist es aufgrund des eingeschränkten verarbeitbaren Dynamikbereichs bzw. von Umgebungsgeräuschen sinnvoll, leise Signalanteile des Audiosignals anzuheben, um diese hörbar zu machen. Das Audiosignal SE wird hierfür zunächst senderseitig einer Einheit zur Kompressionsfaktorgewinnung COMP und dem ei gentlichen Audioencoder ENC1 zugeführt. In dem Audioen coder ENC1 erfolgt dann die Codierung der Audiosignale SE unter Berücksichtigung der oben beschriebenen psychoaku stischen Effekte. Zusätzlich enthält der Encoder einen separaten Eingang LT1, über den ihm von der Kompressions faktorgewinnungseinheit COMPE eine Information über den aktuellen Lautstärkepegel zur Bestimmung der aktuellen Ruhehörschwelle zugeführt wird. Das codierte Signal wird dann übertragen und empfangsseitig durch den Audiodecoder DEC1 wieder decodiert, wobei dieser Decoder die rezipro ken Funktionen des Coders enthält. Das decodierte Signal wird dann durch den Kompressor VCA1 komprimiert, wobei dem Kompressor der Kompressionsfaktor von der Kompressi onsfaktorgewinnungseinheit COMPD zugeführt wird. Damit steht schließlich das komprimierte Audiosignal SD zur Verfügung.

Das erfindungsgemäße Verfahren, bei dem empfangsseitig ei ne Dynamik-Expansion durchgeführt wird, ist in Fig. 4 dargestellt. Hierbei erfolgt zur Verbesserung der Signal wiedergabe die Dynamikkompression bereits encoder- bzw. senderseitig. Während einfache Empfänger dann nur das komprimierte Signal wiedergeben, erfolgt bei einem Hifi-Empfänger eine Expansion des komprimierten Signals, so daß das Audiosignal dann im vollen Dynamikbereich wiedergege ben werden kann. Auch hier wird das Audiosignal SE zu nächst einer Einheit zur Kompressionsfaktorgewinnung COMP zugeführt. Der ermittelte Kompressionsfaktor wird dann dem Kompressor VCA2 zugeführt, der die Audiosignale SE vor der Codierung komprimiert. Das komprimierte Signal wird dann dem Audioencoder ENC2 zugeführt, dem über den Eingang LT2 auch der Kompressionsfaktor zugeführt wird, um ein Maß für den aktuellen Lautstärkepegel zu haben. Dieses ermöglicht, je nach Lautstärke, die jeweils opti male Verdeckungsschwellkurve auszuwählen. Das Audiosignal wird dann entsprechend kodiert und zusammen mit dem Kom pressionsfaktor aufgezeichnet bzw. übertragen. Bei einer Rundfunk-Übertragung kann der Kompressionsfaktor hierbei entweder gemeinsam mit anderen Radio-Daten mit Hilfe ei nes zusätzlichen Datenkanals übertragen werden, z. B. ge mäß dem europäischen RDS- oder amerikanischen RBDS-Standard, oder unhörbar in das eigentliche Audiosignal eingefügt werden. Letzteres bietet den Vorteil, daß die Kompressionsfaktoren immer synchron mit dem Tonsignal übertragen werden, so daß diese auch nach einer Tonauf zeichnung noch zur Verfügung stehen. Zur Wiedergabe er folgt dann nach der Decodierung des übertragenen Audiosi gnals durch den Audiodecoder DEC2 eine Expansion durch den Dynamik-Expander VCA3, dem hierfür der übertragene Kompressionsfaktor zugeführt wird. Damit steht dann das expandierte Audiosignal SD zur Weiterverarbeitung oder Wiedergabe zur Verfügung.

Die Erfindung kann für die Übertragung digitaler Audiosi gnale durch Übertragungssysteme wie z. B. DAB oder ADR, aber auch für die Aufzeichnung und Wiedergabe digitaler Audiosignale durch z. B. DVD- oder DVC-Geräte genutzt werden.

Claims

1. Verfahren zur Kodierung oder Dekodierung von Audiosi gnalen, bei dem psychoakustische Effekte ausgenutzt werden und eine Dynamik-Kompression vorgenommen wird, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Kodierung ein psychoakustischer Kennwert oder mehrere psychoakusti sche Kennwerte (T1, T2) in Abhängigkeit von der Dyna mik-Kompression gewählt werden und daß die Decodie rung unter Verwendung dieser Kennwerte erfolgen kann.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dynamik-Kompression decoderseitig nach der Decodierung vorgenommen wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn zeichnet, daß es sich bei einem psychoakustischen Kennwert um den Pegel der Ruhehörschwelle (T1) han delt.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dynamik-Kompression encoderseitig vor der Ko dierung erfolgt, und eine Dynamik-Expansion nach der Decodierung vorgenommen wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1 oder 4, dadurch gekenn zeichnet, daß es sich bei einem psychoakustischen Kennwert um die Steilheit der Verdeckungskurve (T2) handelt.

6. Schaltungsanordnung mit einem Encoder (ENC1, ENC2) zur Kodierung von Audiosignalen (SE), bei dem psycho akustische Effekte ausgenutzt werden, und einer Ein heit (COMP, COMPE) zur Gewinnung eines Kompressions faktors, der für eine encoder- oder decoderseitige Dynamik-Kompression der Audiosignale verwendet wird, dadurch gekennzeichnet, daß dem Encoder von der Ein heit zur Kompressionsfaktor-Gewinnung ein Kompressi onsfaktor-Signal (CF, CFE) zugeführt wird, von dem ein psychoakustischer Kennwert bei der Kodierung im En coder abhängig ist.

7. Schaltungsanordnung nach Anspruch 6, dadurch gekenn zeichnet, daß das Kompressionsfaktor-Signal (CF, CFE) eine Information über den aktuellen Lautstärkepegel und/oder über den aktuellen Kompressionsfaktor ent hält.

8. Schaltungsanordnung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Audiosignal (SE) der Einheit zur Kompressionsfaktorgewinnung (COMP, COMPE) zuge führt wird, wobei das aus dem Audiosignal ermittelte Kompressionsfaktor-Signal (CF) zusätzlich einem Dyna mik-Kompressor (VCA2) zugeführt wird, der das Audio signal (SE) vor der Codierung komprimiert, wobei das komprimierte Audiosignal dann dem Audioencoder (ENC2) zugeführt wird.

9. Schaltungsanordnung mit einem Decoder (DEC1, DEC2) zur Dekodierung von Audiosignalen, die unter Ausnut zung psychoakustischer Effekte kodiert worden sind, und einer Einheit (VCA1, VCA3) zur Änderung des Dyna mikbereiches des Audiosignals, dadurch gekennzeich net, daß der Einheit zur Änderung des Dynamikberei ches ein Kompressionsfaktor-Signal (CF, CFD) zugeführt wird, von dem ein psychoakustischer Kennwert bei der Kodierung im Encoder abhängig gewesen ist, wobei die decoderseitige Änderung des Dynamikbereiches von dem zugeführten Kompressionsfaktor-Signal abhängig ist.

10. Schaltungsanordnung nach Anspruch 9, dadurch gekenn zeichnet, daß einer Einheit zur Kompressionsfaktorge winnung (COMPD) die dekodierten Audiosignale zuge führt werden und ein von dieser Einheit erzeugtes Kompressionsfaktor-Signal (CFD) der Einheit (VCA1) zur Änderung des Dynamikbereiches zugeführt wird, wo bei diese Einheit eine Dynamik-Kompression der deco dierten Audiosignale vornimmt.

11. Schaltungsanordnung nach Anspruch 9, dadurch gekenn zeichnet, daß ein encoderseitig erzeugtes Kompressi onsfaktor-Signal (CF) der Einheit (VCA3) zur Änderung des Dynamikbereiches zugeführt wird, wobei diese Ein heit eine Dynamik-Expansion der encoderseitig kompri mierten Audiosignale vornimmt.