DE3817864A1 - Verfahren zur uebertragung eines audiosignals - Google Patents
Verfahren zur uebertragung eines audiosignalsInfo
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Description
Bei der Übertragung eines Audiosignals, z.B. bei der
Rundfunkübertragung, Kabelübertragung, Satellitenübertragung
und bei Aufzeichnungsgeräten ist es bekannt, das analoge Au
diosignal in ein digitales Audiosignal mit einer bestimmten
Auflösung umzuwandeln, in dieser Form zu übertragen und bei
der Wiedergabe wieder in ein analoges Signal umzusetzen.
Durch die digitale Übertragung wird insbesondere bei der Wie
dergabe ein größerer Störabstand erreicht.
Die für die Übertragung eines solchen Signals erforderliche
Bandbreite ist im wesentlichen bestimmt durch die Zahl der
zu übertragenden Abtastwerte pro Zeiteinheit sowie durch die
Auflösung.
In der Praxis besteht die Forderung, die für die Übertragung
notwendige Bandbreite möglichst klein zu halten, um mit ei
nem schmalbandigen Kanal auszukommen oder über einen vorhan
denen Kanal möglichst viele Audiosignale gleichzeitig über
tragen zu können. Die erforderliche Bandbreite läßt sich an
sich verringern durch eine Reduzierung der Abtastwerte oder
der Anzahl der Bits pro Abtastwert.
Diese Maßnahme hat aber in der Regel eine Verschlechterung
bei der Wiedergabe zur Folge. Bei einem bekannten Verfahren
(DE OS 35 06 912.0) wird zur Verbesserung der Wiedergabequa
lität das digitale Audiosignal in zeitlich aufeinanderfolgen
den Abschnitten in ein Kurzzeitspektrum transformiert, wel
ches jeweils für die Zeitabschnitte, z.B. 20 ms, die Spek
tralkomponenten des Signals darstellt. In dem Kurzzeitspektr
um lassen sich auf Grund psycho-akustischer Gesetzmäßigkei
ten im allgemeinen Komponenten, die vom Hörer nicht wahrge
nommen werden, also im nachrichtentechnischen Sinn irrele
vant sind, besser auffinden, als im Zeitbereich. Diese Kompo
nenten werden bei der Übertragung weniger gewichtet oder
ganz weggelassen. Durch diese Maßnahme kann bei der Übertra
gung ein beträchtlicher Teil der sonst notwendigen Daten ent
fallen, so daß die mittlere Bitrate beträchtlich verringert
werden kann.
Es hat sich gezeigt, daß bei Amplitudenschwankungen inner
halb eines solchen Abschnittes, insbesondere bei erst im Ver
laufe eines Blocks aus der Ruhe einsetzenden Signalen, nach
der Übertragung diese Signale mit Störungen überlagert wer
den. Die Ursache für die Wahrnehmbarkeit liegt darin,
daß die Störungen auch vor dem Einsetzen der Signale auftre
ten und damit ungenügend verdeckt werden.
Diese Störungen können z.B. durch Quantisierungsrauschen ent
stehen, das sich dem Kurzzeitspektrum überlagert und bei dem
nach der Rücktransformation auch Rauschanteile innerhalb des
gesamten Blocks im Zeitbereich auftreten.
Zur Verringerung dieser Störungen wird jeder Block in Unter
blöcke aufgeteilt und die Amplitudensprünge der Signale von
einem Unterblock zu einem benachbarten Unterblock detektie
rt. Bei Amplitudensprüngen von mehr als 20 dB werden die Si
gnale im vorangegangenen Block komprimiert und nach der Rück
transformation expandiert.
Hierbei können folgende Schwierigkeiten auftreten:
- a) Die Erkennung realer Sprünge ist unsicher.
- b) Als Sprünge werden nur solche Energieänderungen in vorher bestimmten Unterblöcken bewertet, die ein bestimmtes Maß überschreiten.
- c) Es kann aufgrund von Unsicherheiten in der vorgenommenen Energiedetektion zu unbeabsichtigten Signalüberhöhungen im angehobenen Signalabschnitt kommen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das eingangs ge
nannte Verfahren dahingehend zu verbessern, daß bei Signal
veränderungen innerhalb eines Blockes, wie sie in ihrer Viel
falt bei natürlichen Audiosignalen üblich sind, der Störab
stand nach der Übertragung verbessert wird.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 ge
löst.
Im Prinzip werden in jedem Unterblock der Blöcke, auf die
das Audiosignal durch das Zeitfenster aufgeteilt wird, eine
Signalkompression vorgenommen. Diese wird nicht mehr davon
abhängig gemacht, daß reale Sprünge der Schwellwerte über
schritten werden. Dadurch lassen sich die Auswirkungen und
Störungen während der nachfolgenden Signalverarbeitung,
gleich welchen Ursprungs sie sind, vermindern. Durch komple
mentäre Expansion der Signale in den Blöcken nach der Über
tragung werden die ursprünglichen Signalverhältnisse wieder
hergestellt, wobei der Störabstand gegenüber schwachen Signa
len verbessert wird.
Nachfolgend wird die Erfindung an Hand der Zeichnung erläu
tert. Darin zeigen:.
Fig. 1 den zeitlichen Ablauf des erfindungsgemäßen
Verfahrens,
Fig. 2 eine Fensterung des Signals zur Erzielung
der aufeinanderfolgenden Blöcke,
Fig. 3a-d die Darstellung eines im Verlaufe eines
Blocks einsetzenden Signals im Original sowie
nach der Rücktransformation,
Fig. 4 die Aufteilung in Unterblöcke,
Fig. 5 eine Fensterfunktion, mit der die Blöcke
überlagert werden,
Fig. 6 den Energieverlauf innerhalb eines
Blockes mit und ohne Kompression,
Fig. 7-9 Blockschaltbilder zur Durchführung einer
Signalkompression oder -expansion.
In Fig. 1 wird das Analogsignal a (t), das ein Audiosignal
wie z.B. Sprache oder Musik darstellt, durch den bei 1 darge
stellten Verfahrensschritt in ein entsprechendes digitales
Signal umgewandelt. In dem bei 2 gezeigten zweckmäßigen,
aber nicht zwingend notwendigen Verfahrensschritt wird das
Signal einer Preemphase unterworfen, wobei vorzugsweise die
höherfrequenten Spektralanteile des Audiosignals gegenüber
den tieferfrequenten Anteilen angehoben werden. Durch diese
Maßnahme soll der Effekt ausgeglichen werden, daß Signale
mit niedrigen Frequenzen von Signalen mit hohen Frequenzen
schlecht verdeckt werden. Um eine Verdeckung dennoch zu er
zielen, muß die Anhebung umso stärker erfolgen, je weiter
die Nutzfrequenz entfernt liegt.
In dem bei 3 dargestellten Verfahrensschritt erfolgt eine
Fensterung des Signals, wodurch zeitlich aufeinanderfolgende
Blöcke mit Signalabschnitten entstehen. Die Dauer dieser Blöc
ke beträgt vorzugsweise 20 ms. Die Signale eines Blockes kön
nen später getrennt für sich weiterverarbeitet werden.
Bei 4 werden die Blöcke durch Wichtung mit einer Fensterfunk
tion in Unterblöcke unterteilt. Zweckmäßig ist eine Auftei
lung in 10-20 Unterblöcke.
Im nachfolgenden, mit 5 bezeichneten Verfahrensschritt wer
den die Signale innerhalb der jeweiligen Unterblöcke kon
stant verstärkt oder geschwächt, wobei, wie noch weiter un
ten ausgeführt wird, mehrere Verfahrensschritte durchgeführt
werden.
Zur Bestimmung der Verstärkungsfaktoren oder Schwächungsfak
toren werden die mittleren Leistungen aus den Unterblöcken
entsprechenden Signalabschnitten als Detektionsabschnitten
abgeleitet. Für die mittleren Leistungen in den Detektionsab
schnitten werden dann Maßzahlen (Energie : Abschnittsdauer)
gebildet. Diese Maßzahlen werden für die Detektionsabschnit
te eines Blockes auf die Maßzahl des Detektionsabschnittes
mit der größten Maßzahl bezogen. Aus den Maßzahlen werden
dann die Verstärkungsfaktoren bestimmt, wobei proportionale
oder auch quantisierte Verstärkungsfaktoren mit unterschied
lichen Quantisierungfaktoren gewählt werden können.
Zweckmäßig ist es, für kleine Verstärkungsfaktoren kleinere
Quantisierungsstufenhöhen zu wählen als für größere. Der ma
ximale Verstärkungsfaktor wird vorzugsweise auf einen Wert
von 40 dB begrenzt. Nach Durchführung dieser Maßnahme wird
in allen Unterblöcken etwa der gleiche Störabstand bezüglich
der Nutzenergie und der durch die Kodierung entstehenden
Störenergie erreicht.
Im mit 6 bezeichneten Verfahrensschritt wird anschließend
das Signal des Blockes durch eine Transformation in ein Fre
quenzspektrum umgesetzt. Bei 7 erfolgt eine Kodierung nach
psycho-akustischen Gesichtspunkten. Das bedeutet, daß Spek
tralkomponenten die bei der Wiedergabe insbesondere auf
Grund von Verdeckungseffekten ohnehin nicht wahrgenommen wer
den, bei der Kodierung geringer gewichtet oder weggelassen
werden. Mit 8 ist der Verfahrensschritt der Übertragung oder
Speicherung dargestellt, wonach die vorbeschriebenen Verfah
rensschritte im wesentlichen wieder in umgekehrter Reihenfol
ge rückgängig gemacht werden.
So erfolgt bei 9 zunächst eine Dekodierung, durch die das
übertragene oder gespeicherte Signal wieder in ein Frequenz
spektrum zurückgewandelt wird. Durch den mit 10 bezeichneten
Verfahrensschritt wird das Kurzzeitspektrum wieder in den
Zeitbereich überführt. Bei 11 werden auf Grund der übermit
telten Verstärkungsfaktoren die in den Blöcken und Unterblöc
ken vorhandenen Signale komplementär entzerrt. Bei 12 werden
die Unterblöcke zu Blöcke zusammengefügt und bei 13 werden
aus den Blöcken wieder ein zusammenhängende digitale Signale
gebildet. Nach Durchführung einer Deemphase bei 14, die zu
der Preemphase bei 2 komplementär gerichtet ist, wird eine
Digital/Analog-Wandlung bei 15 durchgeführt, nach der
schließlich das Analogsignal b (t) abgegriffen werden kann.
Das Analogsignal b (t) ist nicht identisch mit dem Analogsi
gnal a (t), weil bei der Kodierung Spektralkomponenten unter
schiedlich gewichtet oder unter drückt werden. Der Unter
schied zwischen den Analogsignalen b (t) und a(t) ist aber
so, daß er bei der Wiedergabe vom Hörer nicht bemerkt wird.
In Fig. 2a, b, c ist die Fensterung des Signals a′ darge
stellt, als deren Folge zeitlich aufeinanderfolgende Blöcke
17, 18 und 19 entstehen. Dies kann dadurch geschehen, daß
das Signal a′ mit einer Amplitudenkennlinie 16 multipliziert
wird. Die Kennlinie hat bei einer bevorzugten Ausführungs
form am Anfang einen über eine viertel Periode sinusförmi
gen, danach einen konstanten Wert und am Ende einen kosinus
förmigen Verlauf. Der stetige Verlauf an den Enden soll ver
meiden, daß bei der späteren Transformation ein sehr breites
Frequenzspektrum entstehen würde. Außerdem werden die Fen
ster so gelegt, daß eine Überlappung der Blöcke stattfindet.
Im folgenden wird jedoch aus Gründen der besseren Darstel
lung von rechteckigen Amplitudenverläufen ausgegangen.
Die Fenster besitzen eine zeitliche Dauer von 20 ms. Diese
Zeit hat sich als zweckmäßig erwiesen, um einerseits ein aus
reichend fein aufgelöstes Kurzzeitspektrum zu erhalten, das
bei der späteren Kodierung genügend Spektrallinien enthält,
um eine wirksame Datenreduktion vornehmen zu können, und um
andererseits bei Änderungen des Signals die Verstärkung rela
tiv schnell auf den jeweils veränderten Zustand einzustellen
und damit den psycho-akustischen Vor- und Nachverdeckungsef
fekt auszunutzen.
In der Praxis sind jedoch Fälle möglich, bei denen ein Si
gnal aus der Ruhe plötzlich einsetzt und dieser Einsatz in
nerhalb eines Blockes, z.B. in dessen zweiter Hälfte statt
findet. Dieser Fall ist in Fig. 3a dargestellt. Das transfor
mierte Signal zeigt Fig. 3b. Durch Quantisierungsfehler bei
der Kodierung überlagert sich dem in Fig. 3b dargestellten
Spektrum ein Störspektrum, so daß das in Fig. 3c dargestell
te Spektrum entsteht. Nach Rücktransformation beeinflußt die
ses Störspektrum den Signalverlauf nicht erst ab dem Einsatz
des Signals sondern bereits zu Beginn des Blockes wie
Fig. 3d zeigt. Da der Vorverdeckungseffekt geringer als der
Nachverdeckungseffekt ist, kann diese Störung hörbar werden.
Durch entsprechende Kompression innerhalb des Blockes vor
der Transformation und Übertragung und Expansion nach der
Übertragung und Rücktransformation kann der Störabstand er
heblich verbessert werden.
Zu diesem Zweck wird, wie in Fig. 4 dargestellt ist, jeder
Block 16, 17... in Unterblöcke unterteilt. Diese Unterblöcke
19, 20, 21... haben außer an den Blockrändern gleiche zeitli
che Ausdehnungen derart, daß sie sich jeweils zur Hälfte
überlappen. An den Blockrändern besteht eine Überlappung mit
Unterblöcken 18 der halben zeitlichen Ausdehnung. In diesen
sich überlappenden rechteckigen Unterblöcken werden die mitt
leren Signalleistungen bestimmt (Energie im Zeitabschnitt
dividiert durch die Ausdehnung des Zeitabschnitts).
In einem nachfolgenden Schritt werden, wie in Fig. 5 gezeigt
ist, die zunächst rechteckigen Unterblöcke 19, 20, 21... mit
cos2-Fensterfunktionen 22 bewertet. Die Zeitabschnitte an
den Blockrändern, die nur die halbe zeitliche Ausdehnung der
übrigen Unterblöcke besitzen, werden mit einem cos2-Halbfen
ster 23 gewichtet. Die sich überlappenden Gewichtsfunktionen
ergänzen sich zu jedem Zeitpunkt des Signalblocks zu 1.
In Fig. 6 ist gezeigt, wie die Signale in den Unterblöcken
19, 20, 21 entsprechend den detektierten mittleren Leistun
gen, dargestellt durch die durchgezogenen Linien, so ver
stärkt, bzw. geschwächt werden, daß die mittleren Leistungen
in den Unterblöcken 19, 20, 21... etwa gleich werden, darge
stellt durch die gestrichelt gezeichneten Linien. Zwecks
übersichtlicher Darstellung sind die Blöcke hier nicht ge
strichelt gezeichnet. Durch die Verstärkung und Schwächung
der Signale wird das Verhältnis zwischen der Blocknutzener
gie und der durch die Kodierung entstehenden Blockstörener
gie nicht verändert. Andererseits wird durch diese Maßnahme
erreicht, daß nun in allen Unterblöcken der gleiche Störab
stand besteht. Bezüglich des Störabstandes wird also dassel
be erreicht, wie wenn man von vorn herein durch Fensterung
Blöcke gewählt hätte, die der Größe der Unterblöcke entspre
chen würde. Die vorher erwähnten Nachteile kürzerer Blöcke
werden jedoch vermieden.
Die sich überlappenden Unterblöcke werden zweckmäßig aus psy
cho-akustischen Gründen auf eine zeitliche Ausdehnung von
ca. 2-4 ms bemessen. Bei Blöcken mit ca. 1000 Abtastwerten
bei einer Abtastfrequenz von 44,1 kHz entspricht dies der
Bildung von ca. 10-20 Unterblöcken. Weiterhin ist es zweckmä
ßig aus psycho-akustischen Gründen die Signalverstärkung auf
einen Maximalwert von z.B. 40 dB zu begrenzen.
Es reicht aus, die Verstärkungsfaktoren zu quantisieren, wo
bei die Quantisierung relativ grob durchgeführt werden kann,
um die für die Quantisierungsstufen notwendigen zusätzlichen
Daten zu begrenzen. Die Quantisierung kann so vorgenommen
werden, daß für kleinere Verstärkungsfaktoren kleinere Quan
tisierungsstufenhöhen gewählt werden als für größere. Dabei
wird die Quantisierung so bemessen, daß die mittlere Lei
stung im angehobenen Unterblock die im Unterblock mit der
höchsten detektierten mittleren Leistung, also dem Bezugs
block, nicht übersteigt. Auf diese Weise ist es möglich, so
gar einen Gewinn im Verhältnis der Blocknutzenergie zur
Blockstörenergie zu erzielen. In diesem Fall ist der Störab
stand allen Unterblöcken aber nicht mehr identisch, sondern
nur noch annähernd gleich.
Fig. 7 bis 9 zeigen Blockschaltbilder zur Durchführung einer
Kompression bzw. Expansion zusammen mit einer Preemphase
bzw. Deemphase. Die Schaltungen enthalten jeweils einen steu
erbaren Verstärker 24 und ein Filter 25.
In Fig. 7 ist nur der steuerbare Verstärker 24 im Signalweg
angeordnet. Das Filter 25 befindet sich im Steuersignalweg.
Wird diese Schaltung durch inverse Steuerung zur komplementä
ren Expansion verwendet, so kann das Filter 25 entfallen.
In Fig. 8 ist das Filter 25 dem steuerbaren Verstärker 24
vorgeschaltet. Diese Ausgestaltung benötigt auch bei der Ex
pansion ein Filter.
In Fig. 9 ist das Filter 25 ebenfalls dem steuerbaren Ver
stärker 24 vorgeschaltet und zusätzlich selbst steuerbar aus
gebildet. Die Grenzfrequenz kann dabei so verschoben werden,
daß praktisch immer eine Verdeckung erzielbar ist. Bei der
Expansion sind das steuerbare Filter 25 sowie der steuerbare
Verstärker 24 invers anzusteuern.
Claims (17)
1. Verfahren zur Übertragung eines Audiosignals, das durch
Zeitfenster in zeitlich aufeinanderfolgende Blöcke auf
geteilt wird, dann die in den Blöcken enthaltenen Si
gnalanteile durch Transformation in ein Kurzzeitspek
trum umgewandelt werden, anschließend die Kurzzeitspek
tren auf der Basis psycho-akustischer Gesetzmäßigkeiten
codiert und übertragen werden und nach der Übertragung
decodiert, die Kurzzeitspektren durch Rücktransformati
on wieder in den Zeitbereich überführt werden und
schließlich die im Zeitbereich vorliegenden Blöcke an
einandergefügt werden, wobei die Blöcke in Unterblöcke
aufgeteilt werden und bei Pegeländerungen von einem
Block zum anderen, die einen vorgegebenen Wert über
schreiten, die Signale in den Unterblöcken vor der
Transformation einer Kompression und nach der Rück
transformation einer Expansion unterzogen werden, da
durch gekennzeichnet, daß das Signal in Abhängigkeit
der mittleren Signalleistungen in den Unterblöcken in
diesen bei der Kompression verstärkt und/oder ge
schwächt und bei der Expansion komplementär behandelt
wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
die maximale Änderung der zeitabhängigen Verstärkung
und/oder Schwächung begrenzt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich
net, daß die Unterteilung der Blöcke in Unterblöcke
durch Gewichtung mit Fensterfunktionen erfolgt, die
über dem Zeitabschnitt einen konstanten Wert aufweisen.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß
sich die Fensterfunktionen überlappen und die Blöcke an
ihren beiden Rändern mit Fensterfunktionen der halben
zeitlichen Breite gewichtet werden.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß
die Blöcke mit weiteren, "weichen" Fensterfunktionen
gewichtet werden, die einen stetigen Verlauf aufweisen,
an den Grenzen der Unterblöcke zu Null werden und sich
im gesamten Block zu einem konstanten Gewichtungswert,
vorzugsweise zu 1, ergänzen.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch ge
kennzeichnet, daß die Fensterfunktionen außer an den
Blockrändern Hanning-Fenster enspr. cos2-Fenster und an
den Blockrändern cos2-Halbfenster sind.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch ge
kennzeichnet, daß die Signale innerhalb der jeweiligen
Unterblöcke mit einem konstanten Faktor verstärkt oder
geschwächt werden.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß
die Verstärkungsfaktoren (Schwächungsfaktoren) aus den
mittleren Leistungen in den Unterblöcken entsprechenden
Signalabschnitten als Detektionsabschnitten abgeleitet
werden.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch ge
kennzeichnet, daß auch die Detektionsabschnitte wie die
Unterblöcke durch Gewichtung der Blöcke mit Fensterfunk
tionen gewonnen werden, die über dem Zeitabschnitt ei
nen konstanten Wert besitzen.
10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeich
net, daß für die mittleren Leistungen in den Detektion
sabschnitten Maßzahlen (Energie geteilt durch Abschnitt
dauer) gebildet werden.
11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß
die Maßzahlen für die Detektionsabschnitte eines Blocks
auf die Maßzahl eines Detektionsabschnittes, vorzugswei
se desjenigen mit der größten Maßzahl, bezogen werden
und daß die entstehenden Maßzahlverhältnisse die Ver
stärkungsfaktoren, vorzugsweise proportional, bestimmen.
12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß
quantisierte Verstärkungsfaktoren gewählt werden.
13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß
die Quantisierung ungleichmäßig durchgeführt wird, vor
zugsweise derart, daß für kleine Verstärkungsfaktoren
kleinere Quantisierungsstufenhöhen gewählt werden als
für größere.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch
gekennzeichnet, daß die Verstärkungsfaktoren auf einen
Maximalwert von vorzugsweise 40 dB begrenzt werden.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch
gekennzeichnet, daß die Signale vor der Blockbildung
einer Preemphase und nach der Übertragung und Aneinan
derfügung der Blöcke einer komplementären Deemphase un
terworfen werden.
16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß
durch die Preemphase höherfrequente Spektralanteile des
Audiosignals gegenüber tieferfrequenten Anteilen angeho
ben werden.
17. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch ge
kennzeichnet, daß die Audiosignale vor der Blockbildung
digitalisiert und nach der Übertragung und Zusammenfü
gung der Blöcke analogisiert werden.
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