DE3621513A1 - Verfahren zur uebertragung eines audiosignales - Google Patents
Verfahren zur uebertragung eines audiosignalesInfo
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Description
Die Hauptanmeldung betrifft ein Verfahren zur Übertragung
eines Audiosignals, bei dem das analoge Signal in ein digita
les Signal umgewandelt, digital übertragen und wieder in ein
analoges Signal umgesetzt wird.
Der Erfindung nach der Hauptanmeldung liegt die Aufgabe zu
grunde, ein Verfahren zur Übertragung eines digitalen
Audiosignals zu schaffen, das mit einer geringeren mittleren
Bitrate pro Abtastwert auskommt, ohne daß bei der Wiedergabe
die Qualität merkbar beeinflußt wird.
Diese Aufgabe wird durch die Erfindung nach der Hauptanmel
dung dadurch gelöst, daß vor der Übertragung das Signal in
ein das Kurzzeitspektrum darstellendes Signal umgewandelt
wird und Anteile dieses Signals auf Basis psychoakustischer
Gesetzmäßigkeiten bei der Codierung des zu übertragenden di
gitalen Signals in ihrer Darstellungsgenauigkeit verschieden
gewichtet werden.
Es ist Aufgabe dieser Zusatzanmeldung, die Wichtung von Am
plitudenwerten in Frequenzwerten zu verbessern, die Detek
tion von plötzlichen Schallereignissen zu verbessern und psy
choakustische Gesichtspunkte beim Übertragungsverfahren bes
ser zu berücksichtigen.
Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 beschriebene Er
findung gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung
sind in den Unteransprüchen beschrieben.
Die Schwelle, unterhalb der in einer Gruppe die Werte zu
Null gesetzt werden, wird nicht fest bei -30 dB unterhalb des
Gruppenmaximums angesetzt, sondern muß adaptiv bis zu -50 dB
verschoben werden. Dies ist notwendig, wenn in der Gruppe
eine ausgeprägte Spitze im Betragsverlauf vorliegt, da hier
bei über diesen großen Dynamikbereich die Spektralwerte eine
deutliche lineare Abhängigkeit aufweisen. Werden diese Werte
zu Null gesetzt, so ergibt sich aufgrund der Abhängigkeit
nach Transformation und Rücktransformation eine modulierende
Störung im Zeitsignal, die gut wahrnehmbar ist.
Klassifizierungsmerkmal für das Erkennen einer solchen Situa
tion ist das Verhältnis von Spitzen- zu Mittelwert innerhalb
einer Gruppe.
Zur Analyse, ob ein Sprung im Signalverlauf vorliegt, wird
in Unterblöcken (z.B. 64 Werte) die Energie des Signals er
mittelt, das zuvor über einen Hochpaß geführt wird. Dadurch
wird ein eventueller Sprung versteilt und kann besser detek
tiert werden.
Die daraus abgeleitete Anhebung vor dem Sprung kann wie bis
her breitbandig erfolgen, eine bessere Wirkung wird jedoch
erzielt, wenn die Anhebung frequenzselektiv ansetzt. Sie
kann dann auf die energetisch weniger ausgeprägten Spektral
bereiche beschränkt werden, wodurch höhere Anhebungsfaktoren
erlaubt sind, ohne dabei den Verlauf des Kurzzeitspektrums
wesentlich zu verändern.
Über alle Gruppen hinweg wird eine Hörschwelle gelegt, unter
halb der die Spektralwerte zu Null gesetzt werden. Die
Schwelle verläuft dabei in den ersten 23 Gruppen horizontal
und steigt innerhalb der letzten 3 Gruppen um ca. 30 dB an.
Die Schwelle wird als Ganzes so verschoben, daß im unteren
Bereich ein gewisser Abstand (Typ 90 dB) zum maximalen Be
tragswert gehalten wird. Bei Verschiebungen zu kleineren Wer
ten wird ein Anschlag für die Schwelle definiert, damit
nicht absolut sehr kleine Werte berücksichtigt werden.
Mit dieser Schwelle soll zum einen die absolute Hörschwelle,
zum anderen gruppenübergreifende Verdeckungseffekte berück
sichtigt werden.
Zum besseren Verständnis der Erfindung wird nachstehend ein
Ausführungsbeispiel anhand von Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen
Fig. 1 Zeitfenster, in denen ein Sinussignal schwingt,
Fig. 2 Frequenzspektren von einem gefensterten Sinussignal,
Fig. 3 den zeitlichen Ablauf des Verfahrens,
Fig. 4 eine Vorverarbeitung des Signales für einen speziel
len Signalinhalt,
Fig. 5 ein Blockschaltbild dazu und
Fig. 6 ein Frequenzspektrum mit Schwellen.
Fig. 1 zeigt eine Kurve 4 mit einem sinusförmigen Verlauf.
Über diese Kurve 4 sind zwei Zeitfenster t 1 und t 2 gelegt.
Das Zeitfenster t 1 beginnt im Nullpunkt 1 des Sinus und en
det in einem zweiten Nullpunkt 2 des Sinus. Die Nullpunkte 1
und 2 sind dabei die Schnittpunkte von Sinus und Abzisse,
wobei über die Abzisse die Zeit t aufgetragen ist. Das zwei
te Zeitfenster t 2 beginnt im Nullpunkt des Sinus, endet aber
außerhalb eines Nullpunktes im Punkt 3.
Bei der Transformation von Zeitsignalen in ein das Kurzzeit
spektrum darstellendes Signal werden verschiedene Kurven in
dem Frequenzspektrum erzielt. Fig. 2 zeigt das Frequenzspek
trum, das zu den beiden gefensterten Sinussignalen gehört.
Für das Zeitfenster t 1 ergibt sich nur eine Frequenzlinie 5.
Für das Sinussignal, das über das Zeitfenster t 2 gefenstert
wird, ergibt sich ein Frequenzspektrum mit dem Kurvenver
lauf 6, das ein Maximum an der Frequenzlinie 5 und eine ab
fallende Kurvenform mit mehreren Frequenzlinien 7 aufweist.
In einer Frequenzgruppe können bei der Begrenzung und Über
tragung von Werten, die nur innerhalb eines Dynamikbereiches
von 30 dB unterhalb des Maximums ymax liegen, durch die linea
re Abhängigkeit der Spektralwerte modulierenden Störungen
auftreten, die gut wahrnehmbar sind. Deshalb wird der Dyna
mikbereich auf bis zu 50 dB adaptiv vergrößert. Das Klassifi
zierungsmerkmal für das Erkennen einer solchen Situation ist
das Verhältnis von Spitzen- zum quadratischen Mittelwert in
nerhalb einer Frequenzgruppe. Dabei wird die Differenz von
Spitzen- zum Mittelwert in einer Frequenzgruppe gebildet und
die Differenz mit einem Faktor, in diesem Fall 3, multipli
ziert. Das Produkt ergibt den neuen Dynamikbereich. Liegt
ein Spitzenwert bei 60 dB und der zugehörige Mittelwert bei
45 dB, so ist die Differenz 15 dB. Die Differenz 15 dB wird mit
dem Faktor 3 multipliziert, das ergibt einen neuen Dynamikbe
reich von 45 dB, also eine adaptive Anpassung zwischen -30
und minus 50 dB. Wird parallel zur Festlegung der Schwelle,
die die Gruppendynamik festlegt, festgestellt, daß die Diffe
renz zwischen maximalem und minimalem Betragswert in einer
Gruppe kleiner als 30 dB ist, so wird der darzustellende Dyna
mikbereich gleich dieser Differenz gesetzt.
In Fig. 3 wird das Analog-Signal a(t), das ein Audiosignal
wie z.B. Sprache oder Musik darstellt, in dem Analog/Digital-
Wandler 11 in ein entsprechendes digitales Audiosignal umge
wandelt. In der Stufe 12 erfolgt durch zeitlich aufeinander
folgende und überlappende Zeitfenster eine sogenannte Fen
sterung dieses Signales. Das Signal wird dabei in zeitlich
aufeinanderfolgende Blöcke mit je einer Dauer von ca. 20 ms,
insbesondere 23 ms, aufgeteilt, derart, daß jeweils das Si
gnal eines Blockes für sich getrennt weiter bearbeitet wer
den kann. In der Stufe 13 erfolgt eine Vorverarbeitung des
Signales, deren Bedeutung später erläutert wird. In der
Stufe 14 wird jeweils das digitale Signal eines Zeitfensters
oder eines Blockes durch eine Transformation in ein Frequenz-
Spektrum umgesetzt. Am Ausgang der Stufe 14 steht also wäh
rend der zeitlich aufeinanderfolgenden Blöcke jeweils ein
Signal, das für die Dauer eines Zeitfensters oder Blockes
die Spektralkomponenten des Signals über das gesamte Fre
quenzband darstellt. Die Stufe 14 bewirkt also die Umsetzung
des Signals vom Zeitbereich in das das Spektrum darstellende
Signal im Frequenzbereich.
Das Signal von der Stufe 14 gelangt zum Coder 15. Hier er
folgt eine Codierung nach psychoakustischen Gesichtspunkten.
Das bedeutet, daß Spektralkomponenten, die bei der Wiederga
be insbesondere aufgrund von Verdeckungseffekten ohnehin
nicht wahrgenonmen werden, bei der Codierung geringer ge
wichtet oder weggelassen werden. Eine derartige Verarbeitung
des Kurzzeit-Spektrums ist möglich z.B. mit Hilfe eines Rech
ners.
Das derart codierte Signal gelangt über den Sender 16 zum
Nachrichtenkanal 17. Durch die erzielte Verringerung der
mittleren Bitrate kann dieser Nachrichtenkanal entsprechend
schmalbandig bemessen werden. Auf den Nachrichtenkanal 17
folgt der Empfänger 18, der im wesentlichen die zum Sender
inversen Funktionen ausführt. Das Signal gelangt zunächst zu
einem Decoder 19, der entsprechend dem Coder 15 die Decodie
rung bewirkt. In der Stufe 20 wird das so gewonnen, das Spek
trum-darstellende Signal im Frequenzbereich wieder in ein
digitales Signal im Zeitbereich umgesetzt. In der Stufe 21
wird das Signal wieder zu einem einheitlichen kontinuierli
chen digitalen Signal zusammengesetzt und die Vorverarbei
tung der Stufe 13 berücksichtigt. Dann wird das Signal dem
Digital/Analog-Wandler 22 zugeführt. Der Wandler 22 liefert
wieder das Analogsignal b(t). Dieses Signal ist mit dem Si
gnal a(t) nicht identisch, weil im Coder 15 bei der Codie
rung Spektral-Komponenten unterschiedlich gewichtet oder un
terdrückt wurden. Der Unterschied zwischen den Analogsignale
n b(t) und a(t) ist aber so, daß er bei der Wiedergabe vom
Hörer nicht bemerkt wird. In dem Signal wird also lediglich
Irrelevanz, für den Hörer unhörbare Information, beseitigt,
um die notwendige Bitrate bei der Übertragung über den Nach
richtenkanal 17 zu verringern, speziell wird der Entschei
dungsgehalt verringert. Auf dem Signalpfad 23 teilt die Vor
verarbeitungsstufe 13 dem Sender 16 mit, ob eine Vorverarbei
tung stattgefunden hat. Ist das der Fall, so wird eine Neben
information in das codierte Signal eingefügt bzw. gemul
tiplext, das der Empfänger 18 erkennt und der Anpassungsstu
fe 21 über den Signalpfad 24 mitteilt. Vor dem Analog-Digi
tal Wandler 11 ist ein Tiefpaß zur Erfüllung des Abtasttheo
rems eingefügt. Nach dem Digital-Analog Wandler 22 ist ein
zweiter Tiefpaß als Rekonstruktionstiefpaß angeordnet.
Fig. 4 zeigt die Vorverarbeitung eines plötzlichen Schaller
eignisses 29, das innerhalb eines Zeitfensters t 1- t 7 im
Zeitpunkt t 9 auftritt. Ein solches Schallereignis kann z.B.
ein Triangelanschlag sein. Die beschriebene Vorverarbeitung
erfolgt in Fig. 3 in der Stufe 13. Dem Schallereignis 29
geht noch ein Vorschwinger zwischen t 8 und t 9 voraus, der
aber durch eine Vorverdeckung nicht hörbar ist. Bei der Um
wandlung in das Frequenzspektrum in der Stufe 14 in Fig. 3
entsteht jeweils ein Signal im Frequenzbereich, das die Spek
tralverteilung im Fenster t 1- t 7 angibt. Da bei diesem Si
gnal die Zuordnung von Spektrallinien zu einzelnen Zeitpunk
ten innerhalb eines Zeitfensters nicht mehr gegeben ist, wür
de das Ereignis 29 über das gesamte Zeitfenster t 1-t 7
gemittelt, also quasi verschmiert. Dadurch kann eine hörbare
Verfälschung eintreten.
Zur Vermeidung dieses noch denkbaren Fehlers ist ein Zeitfen
ster t 1- t 7 oder auch Block in 32 Unterblöcke aufgeteilt.
Die Amplituden der einzelnen Unterblöcke werden ermittelt.
Sobald ein Amplitudensprung zwischen zwei Unterblöcken von
mehr als einem vorgegebenen Limit auftritt, in Fig. 4 be
dingt durch das Ereignis 29, wird eine zusätzliche Maßnahme
ausgelöst. Das vorgegebene Limit liegt in der Größenordnung
von 20 dB. Die Maßnahme besteht darin, daß das Signal vor dem
Amplitudensprung durch ein Kompanderverfahren auf der Sende
seite in der Amplitude angehoben und auf der Empfängerseite
wieder entsprechend abgesenkt wird. Dadurch werden die ge
nannten Fehler durch die Verschmierung des kurzzeitigen Er
eignisses über das ganze Zeitfenster verringert. Die Fig.
4D und 4E zeigen die Wirkungsweise eines Kompandersy
stens. Vor einem Signalsprung wird in der Vorverarbeitung in
einem Expander ein Signal mit dem einen Verstärkungfaktor
V 1, in diesem Fall 5, verstärkt. Auf der Empfängerseite wird
diese in einem Kompressor in der Anpassung 21 mit einem zwei
ten Verstärkungsfaktor V 2, in diesem Fall 1/5, rückgängig
gemacht. Die Gesamtverstärkung für das Signal beträgt die
gesamte Zeit "1".
Nach einem Signalsprung betragen die Verstärkungsfaktoren
bis zum nächsten Sprung sowohl im Expander als auch im Kom
pressor den Wert 1. In den Übergängen zwischen den Verstär
kungsfaktoren 1 und 5 liegt ein geradlinieger oder gekrümm
ter Verlauf über einen Zeitraum zwischen einem halben oder
einen gesamten Unterblock, vorzugsweise jedoch über die Zeit
dauer eines Unterblockes. Ziel ist die Ausnutzung des Vorver
deckungseffektes des Ohres (unter 1 ms).
Die Vorverarbeitung 13 wird in der Fig. 5 gezeigt. Der
Block 30 prüft, ob ein Signal zwischen zwei der 32 Unterblök
ken um ein vorgegebenes Limit ansteigt. So lange der Anstieg
zwischen zwei Blöcken unterhalb des vorgegebenen Limits
(20 dB) liegt, wird das Signal vom Eingang 35 direkt über ei
ne Zeitverzögerung 36 und den Umschalter 33 auf den Aus
gang 34 geschaltet. Liegt ein Signalsprung zwischen zwei Un
terblöcken um 20 dB vor, so wird das Signal vom Eingang 35
über einen Expander 32 und über den Umschalter 33 auf den
Ausgang 34 geschaltet. Der Hochpaß 31 versteilt einen eventu
ellen Sprung im Signal, damit der Sprung von dem Block 30
besser detektiert wird. Dann wird das Signal vor dem Amplitu
densprung durch den Expander 32 auf der Senderseite in der
Amplitude angehoben und auf der Empfängerseite entsprechend
wieder abgesenkt. Dadurch werden Fehler durch eine Verschmie
rung des kurzzeitigen Ereignisses über das ganze Zeitfenster
verringert. Der Prüfblock 30 arbeitet fortwährend, auch wäh
rend das Signal vom Eingang 35 direkt über den Umschalter 33
auf den Ausgang 34 geschaltet ist. Die Zeitverzögerung 36
gleicht Zeitunterschiede aus, die der Expander 32 und der
Prüfblock 30 verursachen. Der Prüfblock 30 teilt dem Expan
der 32 den Zeitpunkt eines Sprunges bzw. das Überschreiten
eines Limits mit. Diese Mitteilung ist eine Information über
die Nummer des Unterblockes. Der Expander 32 berechnet
selbstständig einen geeigneten Verstärkungsfaktor.
Fig. 6 zeigt ein Koordinatensystem, auf dessen Abzisse über
eine Frequenz f der Kurvenverlauf 41 eines Frequenzspektrums
aufgetragen ist. Der Kurvenverlauf 41 weist ein Maximum xmax
auf. Ein absolutes Maximum xmax 1 entspricht einem Pegel A
von null Dezibel. In einem Rechner entspricht diesen null
Dezibel eine absolute Größe von 2 Exponent (exp) 15, die zu
sätzlich noch mit einem Verstärkungsfaktor von 1024 ver
stärkt wird. Dann wird insgesamt mit einer absoluten Größe
von 2 exp 25 gerechnet. Die Größen entsprechen einer elektri
schen Spannung. Über den gesamten Frequenzverlauf wird eine
Hörschwelle 42 gelegt, unterhalb der die Spektralwerte zu
null gesetzt werden, d.h. nicht berücksichtigt werden. Diese
Schwelle 42 verläuft in den ersten 23 Frequenzgruppen paral
lel zur Abzisse und steigt innerhalb der letzten 3 Gruppen
um ca. 30 dB an, wobei der Anstieg ab 10 kHz erfolgt. Die
Schwelle 42 weist gegenüber dem (veränderbaren) Maximum xmax
vor einem ersten Anstiegspunkt, im folgenden Knickpunkt ge
nannt, immer einen Abstand von 90 dB auf. D.h. diese Schwelle
wird immer in Abhängigkeit des Maximums xmax gelegt. Die
Schwelle 42 kann allerdings nicht unter einen Minimalwert
43, im folgenden Anschlag genannt, absinken. Dieser Anschlag
43 liegt bei -128 dB zum absoluten Maximum. Vorteilhaft wird
der erste Knickpunkt bei 10 kHz und ein zweiter Knickpunkt
bei 12 kHz gelegt. Zwischen diesen beiden Knickpunkten steigt
die Schwelle 42 zunächst um 10 dB an. Ab dem zweiten Knick
punkt, also in dem Bereich zwischen 12 und 22 kHz weist die
Schwelle 42 eine Steigung von 90 dB auf. Die Frequenzgruppen
und eine Einteilung eines Frequenzspektrums ist erläutert
z.B. in "Psychoakustik" von E. Zwicker, erschienen im Sprin
ger Verlag, Berlin Heidelberg New York 1982.
Claims (9)
1. Verfahren zur Übertragung eines Audiosignales, bei
dem das analoge Signal in ein digitales Signal umge
wandelt, digital übertragen und wieder in ein analo
ges Signal umgesetzt wird, nach Patentanmeldung
P 35 06 912, dadurch gekennzeichnet, daß Schwellen
verschoben sind und/oder daß eine frequenzselektive
Anhebung erfolgt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die Schwelle, unterhalb der in einer Frequenzgrup
pe die Werte zu null gesetzt werden, adaptiv verscho
ben ist (Fig. 2).
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,
daß die Schwelle zwischen -30 und -50 dB verschoben
ist.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß eine Anhebung frequenzselektiv ansetzt.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet,
daß ein Signal in der Vorverarbeitung 13 vor dem Prüf
block (30) über einen Hochpaß (31) geführt ist.
6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß über alle Gruppen hinweg eine Hörschwelle (2, 3)
gelegt ist.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet,
daß die Hörschwelle (2) einen vorgegebenen Abstand zu
einem Maximum (xmax) einnimmt.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet,
daß die Hörschwelle (2) nur bis zu einem Anschlag (3)
verschoben ist.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet,
daß der Anschlag (3) einen Abstand von etwa -128 dB
von einem absoluten Maximum (xmax 1) aufweist.
Priority Applications (11)
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DE3621513C2 DE3621513C2 (de) | 1994-10-27 |
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