NL8802769A - Coder om extra informatie op te nemen in een digitaal audiosignaal met een tevoren bepaald formaat alsmede een decoder om deze extra informatie uit dit digitale signaal af te leiden. - Google Patents

Description

N,V, Philips' Gloeilampenfabrieken “Coder om extra informatie op te nemen in een digitaal audiosignaal met een tevoren bepaald formaat alsmede een decoder om deze extra informatie uit dit digitale signaal af te leiden".

De uitvinding heeft betrekking op een coder om extra informatie in de vorm van een hulpsignaai op te nemen in een digitaal audiosignaal met een tevoren bepaald formaat, alsmede op een decoder om deze extra informatie uit dit digitale signaal af te leiden.

Bij digitale geluidsoverdrachts- en registratiesystemen, zoals CD-spelers, toekomstige televisiesystemen, zoals D2MAC, etc. ligt het formaat, d.w.z. de bemonsterfrequentie en het aantal bits per monster, waarin het digitale geluidssignaal wordt geregistreerd of overgedragen meestal, b.v. in verband met internationale afspraken, tevoren vast. Soms bestaat echter de behoefte om meer informatie te registreren of over te dragen dan op grond van het beschikbare aantal kanalen mogelijk is. Zo kunnen op grond van internationale afspraken bij bepaalde toekomstige televisiesystemen slechts twee digitale audiokanalen van hoge kwaliteit, b.v. elk voor een 14 bits digitaal signaal beschikbaar zijn. Deze kanalen worden benut voor het overdragen van de audio-informatie voor resp. het linker en het rechter kanaal. De wens bestaat echter om ten behoeve van zgn. surround-sound ook informatie voor achterkanalen, b.v. een linker en rechter achterkanaal te kunnen overdragen. Ook in andere gevallen kan het zeer nuttig zijn als aan bestaande kanalen voor digitale signalen met een tevoren bepaald formaat extra informatie kan worden toegevoegd, zonder dat hiertoe het aantal kanalen dient te worden uitgebreid. Te denken valt hierbij aan het toevoegen van muzieksignalen die muziekinformatie zonder de zang bevatten, het zgn. Karaoke, zodat de gebruiker zelf de zang kan verzorgen; of het toevoegen van muzieksignalen waarin een bepaald instrument is weggelaten, zodat de gebruiker dit instrument bij de rest van de opname kan inspelen. Ook kan gedacht worden aan het toevoegen van extra informatie in de vorm van datasignalen, zoals b.v. voor teletekstinformatie.

Het zal duidelijk zijn dat het in al deze gevallen gewenst is dat het stelsel compatibel is met bestaande systemen, d.w.z. dat met apparatuur die niet is voorzien van een specifieke decoder om de extra informatie aan het signaal te onttrekken, de oorspronkelijke signaalinformatie ongestoord moet kunnen worden weergegeven. Zo dient b.v. bij een televisiesignaal met surround-sound informatie, in een niet voor surround-sound geschikt televisietoestel de informatie voor het linker en rechter kanaal te kunnen worden weergegeven zonder dat dit op enigerlei wijze hoorbaar door de "verborgen" informatie voor het afleiden van het signaal van de achterkanalen gestoord wordt.

De uitvinding beoogt te voorzien in een stelsel dat deze mogelijkheid biedt en voorziet daartoe in een stelsel van voornoemde soort waarbij de coder is voorzien van middelen voor het analyseren van het digitale signaal, van middelen voor het op eenduidige wijze kwantiseren van het geanalyseerde digitale signaal en van middelen voor het op grond van de akoestische eigenschappen van het menselijk oor bepalen van de hoeveelheid extra informatie die aan het gekwantiseerde digitale signaal kan worden toegevoegd zonder dat deze extra informatie bii een ongemodificeerde detectie hoorbaar is; van middelen voor het sommeren van de extra informatie en het gekwantiseerde digitale signaal tot een samengesteld signaal en van middelen om het samengestelde signaal weer om te zetten in een digitaal signaal met het tevoren bepaalde formaat.

Volgens een voorkeursuitvoeringsvorm van de uitvinding wordt gebruik gemaakt van de psycho-akoestische eigenschap van het menselijk oor dat bij een opdeling van de audiofrequentieband in een aantal sub-banden, waarvan de bandbreedten bij benadering corresponderen met de bandbreedten van de kritieke banden van het menselijk oor, de kwantisatieruis in een dergelijke sub-band optimaal gemaskeerd wordt door de signalen van deze sub-band.

Bij een uitvoeringsvorm volgens dit principe omvatten de middelen voor het analyseren van het digitale signaal analysefiltermiddelen voor het in responsie op het digitale signaal opwekken van een aantal van P sub-band signalen, welke analysefiltermiddelen de frequentieband van het digitale signaal volgens een filtermethode met bemonsterfrequentieverlaging opdelen in opeenvolgende sub-banden met bandnummers p (1 < p < P), waarbij de bandbreedten van de sub-banden bij voorkeur bij benadering corresponderen met de kritieke bandbreedten van het menselijk oor in de respectieve freguentiebereiken alhoewel het ook mogelijk is minder sub- banden toe te passen, terwijl indien het hulpsignaal een digitaal audiosignaal is, bij voorkeur tevens is voorzien in analysefiltermiddelen voor het in responsie op het hulpsignaal opwekken van een aantal van P sub-band signalen, welke analysefiltermiddelen de frequentieband van het hulpsignaal volgens een filtermethode met bemonsterfrequentie-verlaging opdelen in opeenvolgende sub-banden met bandnummers p (1 < p < P), waarbij de bandbreedten van de sub-banden bij voorkeur weer bij benadering corresponderen met de kritieke bandbreedten van het menselijk oor in de respectieve frequentiebereiken, waarbij voor elk van de respectieve sub-banden is voorzien in de middelen voor het op een eenduidige wijze kwantiseren van het digitale signaal en in middelen voor het sommeren van de respectieve gekwantiseerde sub-bandsignalen en de overeenkomstige sub-bandsignalen van het hulpsignaal voor het vormen van P samengestelde sub-bandsignalen en waarbij is voorzien in synthesefiltermiddelen voor het in responsie op de samengestelde sub-band signalen construeren van een replica van het samengestelde signaal, welke synthesemiddelen de sub-banden volgens een met de opdeling in de analysefiltermiddelen corresponderende filtermethode met bemonsterfrequentie-verhoging samenvoegen.

Voor het afleiden van de in een dergelijk samengesteld signaal opgenomen hulpsignaal is een decoder voorzien van analysefiltermiddelen voor het in responsie op het samengestelde signaal opwekken van een aantal van samengestelde sub-band signalen, welke analysefiltermiddelen de frequentieband van het samengestelde signaal volgens een filtermethode met bemonsterfrequentie-verlaging opdelen in opeenvolgende sub-banden met bandnummers p (1 < p i P), waarbij de bandbreedten van de sub-banden corresponderen met die van de analysefiltermiddelen in de zender; van middelen voor het op een eenduidige wijze kwantiseren van de samengestelde sub-band signalen; m middelen voor het aftrekken van de respectieve gekwantiseerde sub-band signalen van de overeenkomstige sub-band signalen van het samengestelde signaal voor het vormen van sub-band verschilsignalen en in synthesefiltermiddelen voor het in responsie op sub-band verschilsignalen construeren van een replica van het hulpsignaal, welke synthesemiddelen de sub-banden volgens een met de opdeling in de analysefiltermiddelen corresponderende filtermethode met bemonsterfrequentie-verhoging samenvoegen. De analysefiltermiddelen en de synthesefiltermiddelen vormen daarbij tezamen zowel in de coder als in de decoder een perfect reconstruerend filter.

Alhoewel de uitvinding toepasbaar is bij het registreren van digitale informatie op b.v. een compact disc of een videoband., en het weergeven daarvan, alsook bij het zenden van digitale informatie, zoals bij b.v. televisie, en het ontvangen daarvan, zal in het hierna volgende kortheidshalve steeds worden gesproken over het zenden en het ontvangen, waarbij echter het registreren en naderhand weergeven ook impliciet wordt bedoeld.

De uitvinding berust op het inzicht dat het door het op tevoren bepaalde wijze kwantiseren van het digitale audiosignaal mogelijk is in de kwantisatieruis die dan ontstaat extra informatie in de vorm van een hulpsignaal in de vorm van een tijddiscreetsignaai, meestal een digitaal-signaal, of in de vorm van een datasignaal te verbergen en dat dit opnieuw gekwantiseerde digitale audiosignaal met daaraan toegevoegd het hulpsignaal vervolgens weer kan worden omgezet in een samengesteld digitaal signaal met opnieuw het tevoren bepaalde formaat, waarbij bij het ontvangen van dit samengestelde digitale signaal in een ontvanger die niet is voorzien van een speciale decoder, uit dit samengestelde signaal op gebruikelijke wijze de in het oorspronkelijke digitale audiosignaal aanwezige audio-informatie kan worden afgeleid, zonder dat dit hoorbaar wordt beïnvloed door het hulpsignaal, omdat dit verborgen blijft in de kwantisatieruis. In een wel van een decoder voorziene ontvanger kan echter uit het verschil tussen het samengestelde digitale signaal en het op de tevoren bepaalde wijze gekwantiseerde samengestelde digitale signaal de informatie omtrent het hulpsignaal worden afgeleid.

Het aan de uitvinding ten grondslag liggende inzicht maakt het op relatief eenvoudige wijze mogelijk extra informatie, in de vorm van een hulpsignaal, aan een bestaand digitaal audiosignaal met een vast formaat, verder te noemen het hoofdsignaal, toe te voegen en daaraan weer te onttrekken, zonder dat hierbij de oorspronkelijke informatie hoorbaar wordt aangetast, terwijl deze oorspronkelijke informatie ook zonder enige aanpassing van de ontvangstapparatuur kan worden weergegeven.

Het aan de uitvinding ten grondslag liggende inzicht is alleen dan toe te passen wanneer aan een aantal voorwaarden voldaan is.

deze zijn: 1) de wijze van kwantiseren van het hoofdsignaal dient zodanig te zijn gekozen dat zowel bij het kwantiseren bij het zenden als bij het ontvangen steeds tot dezelfde kwantisatie wordt besloten; 2) de amplitude van het toe te voegen hulpsignaal dient kleiner te zijn dan de helft van de kwantisatiestap van het hoofdsignaal; en 3) het kwantiseren van het hoofdsignaal dient op zodanige wijze te geschieden dat de kwantisatieruis niet hoorbaar toeneemt.

Aan voorwaarde 1) kan op eenvoudige wijze worden voldaan wanneer gekozen wordt voor een vaste kwantisatiestap, waarvan de grootte dus onafhankelijk is van de amplitude van het hoofdsignaal. Bij het kwantiseren zowel aan de zendzijde als aan de ontvangzijde ligt dan de kwantisatiestap vast en treden geen problemen op. In de praktijk maakt men echter bij voorkeur gebruik van een adaptieve kwantisatiestap omdat hierdoor een optimale uitsturingsruimte voor het hulpsignaal gerealiseerd kan worden. Bij een dergelijke adaptieve kwantisatie dienen speciale maatregelen getroffen te worden om zowel aan zend- als ontvangzijde, onafhankelijk van de signaalamplitude van het hoofdsignaal, bij het zenden en bij het ontvangen, steeds op een eenduidige wijze tot dezelfde kwantisatie te besluiten.

Volgens een voorkeursuitvoeringsvorm van de uitvinding is per sub-band de grootte van de kwantisatiestap afhankelijk van de amplitude van het hoofdsignaal, waarbij tussen de mogelijke opeenvolgende stappen een exponentieel verband, met een tevoren bepaald grondtal bestaat. Op deze wijze is het mogelijk een adaptieve kwantisatie te verkrijgen die zich aanpast aan de amplitude van het hoofdsignaal en die aan de ontvangzijde op eenduidige wijze uit het samengestelde signaal is af te leiden, om zo het hoofdsignaal terug te kunnen winnen. Een en ander zal onderstaand nog nader worden toegelicht.

Aan de bovenstaand genoemde voorwaarde 2) kan worden voldaan door het hulpsignaal per sub-band aan de zendzijde met een bepaalde faktor te verzwakken en aan de ontvangzijde weer met dezelfde faktor te versterken, waarbij de grootte van deze faktor afhankelijk gekozen kan worden van de grootte van de kwantisatiestap dat gebruikt is voor het kwantiseren van het hoofdsignaal. In het geval het hulpsignaal een datasignaal is, is geen verzwakking nodig omdat dan per gekwantiseerd monster van het hoofdsignaal bepaald kan worden hoeveel bits een halve kwantisatiestap vormen en dus hoeveel data per monster kan worden toegevoegd.

Aan voorwaarde 3) kan in principe worden voldaan door de kwantisatiestappen klein genoeg te kiezen, waardoor de kwantisatieruis i zeer klein gehouden kan worden. Dit leidt echter tot een conflict met voorwaarde 2). In het geval van een kleine kwantisatiestap is immers de voor het hulpsignaal beschikbare amplitude, die immers kleiner dient te zijn dan de helft van die kwantisatiestap, ook zeer klein, hetgeen tot problemen in verband met ruis en de reproduceerbaarheid van het hulpsignaal leidt. Bij voorkeur wordt daarom voor een vrij grove kwantisatie van het hoofdsignaal gekozen in combinatie met maatregelen om de daardoor ontstane kwantisatieruis voor het menselijk oor onhoorbaar te maken. Dergelijke maatregelen zijn op zich bekend.

Een eerste berust op het verschijnsel dat bij een opdeling van de audiosignaalband in een aantal sub-banden, waarvan de bandbreedten bij benadering corresponderen met de bandbreedten van de kritieke banden van het menselijk oor in de respectieve freguentiegebieden, op grond van psycho-akoestische experimenten verwacht mag worden dat de kwantisatieruis in een dergelijke sub-band optimaal gemaskeerd zal worden door de signalen in deze sub-band, wanneer bij de kwantisatie rekening gehouden wordt met de ruis-maskeringskromme van het menselijk oor. Deze kromme geeft de drempelwaarde voor het maskeren van ruis in een kritieke band door een enkele toon in het midden van de kritieke band. In het geval een digitaal muzieksignaal van hoge kwaliteit, dat b.v. overeenkomstig de compact disc standaard wordt gerepresenteerd met 16 bits per signaalmonster waarbij de bemonsterfrequentie 1/T = 44,1 kHz is, blijkt dat de toepassing van deze bekende sub-bandcodering met een geschikt gekozen bandbreedte en een geschikt gekozen kwantisatie voor de respectieve sub-banden resulteert in gekwantiseerde uitgangssignalen van de zender die met een gemiddeld aantal van ongeveer 2,5 bits per signaalmonster kunnen worden gerepresenteerd, terwijl de kwaliteit van de replica van het muzieksignaal niet waarneembaar verschilt van die van het originele muzieksignaal in vrijwel alle passages van vrijwel alle soorten in muzieksignalen. Voor een verdere toelichting van dit verschijnsel wordt verwezen naar het artikel "The Critical Band Coder-Digital Encoding of speech signals based on the perceptional requirements of the auditory system" van M.E. Krasner in Proceedings IEEE ICASSP 80, Vol. 1, biz. 327-331, april 9-11, 1980. Door gebruik te maken van deze zgn. simultane maskering in frequentie sub-banden kan ondanks een grove kwantisatie toch het hoofdsignaal met minimaal kwaliteitsverlies worden gekwantiseerd, waardoor de uitsturingsruimte voor het hulpsignaal, d.w.z. de ruimte kleiner dan een halve kwantisatiestap, relatief groot is, zodat ook dit signaal met een minimaal kwaliteitsverlies kan worden gereconstrueerd.

Een andere op zich bekende maatregel maakt gebruik van het psycho-akoestische effekt van de temporele maskering, d.w.z. de eigenschap van het menselijk oor dat de drempelwaarde voor het waarnemen van signalen kort voor en kort na het optreden van een ander signaal met relatief hoge signaalenergie tijdelijk hoger blijkt te zijn dan tijdens de afwezigheid van laatsgnoemd signaal. In de tijdsruimte voor en na een dergelijk signaal met een hoge signaalenergie kan nu extra informatie van het hulpsignaal worden opgenomen. Het is ook mogelijk de temporele maskering en de maskering met behulp van frequentie sub-banden te combineren. Een eerste mogelijkheid hiertoe is volgens de uitvinding gebruik te maken van de kennis omtrent de amplitude van één of meer voorafgaande monsters van het digitale signaal. In het geval van een afnemende amplitude kan nu bij adaptieve kwantisatie de kwantisatiestap groter gekozen worden dan op grond van de feitelijke signaalamplitude en het gekozen kwantisatiecriterium toelaatbaar zou zijn, omdat de daardoor optredende extra kwantisatieruis bij deze relatief lage amplitude wordt gemaskeerd door de voorafgaande grotere amplitude(s). Doordat een grovere kwantisatie gekozen kan worden kan meer extra informatie in de op een grote signaalamplitude volgende monsters van het digitale signaal worden verborgen, hetgeen de signaal-ruisverhouding bij ontvangst van het hulpsignaal gunstig beïnvloedt. Een groot voordeel van deze wijze van temporeel maskeren is dat er geen extra vertraging optreedt bij het bepalen van de monsters waarin op grond van temporele maskering grover gekwantiseerd mag worden.

Een andere mogelijkheid is de monsters van het hoofdsignaal bloksgewijs op te slaan en op grond van de maximale signaalamplitude in dat blok te besluiten tot één kwantisatiestap die geldt voor alle monsters in dat blok, waarbij er van wordt uitgegaan dat tengevolge van de temporele maskering de in feite te grove kwantisering van de monsters met een lagere signaalamplitude niet hoorbaar is. Hierbij dient echter steeds een bloksignaalmonster te worden opgeslagen alvorens de kwantisatiestap bepaald kan worden.

De uitvinding zal in het hierna volgende worden toegelicht aan de hand van uitvoeringsvoorbeelden onder verwijzing naar de tekening, hierin toont:

Fig. 1: een blokschema van een voorkeursuitvoeringsvorm van een zend-ontvangstelsel met een coder en een decoder volgens de uitvinding; en

Fig. 2: een schematische weergave van de wijze van kwantiseren in de coder.

Fig. 1 toont schematisch een stelsel bestaande uit een zender 1 en een ontvanger 2 voor het resp. toevoegen en onttrekken van extra informatie aan een digitaal audiosignaal met een tevoren bepaald formaat, welke informatie wordt overgedragen via of opgeslagen in een medium 3. Dit medium kan een transmissiekanaal zijn, maar b.v. ook een compact disc of een magnetische band of schijf.

De zender omvat een coder in de vorm van een processor 7 met een ingangsklem 4 voor het digitale signaal u(k) met het tevoren bepaalde formaat en een ingangsklem 5 voor het toe te voegen digitale hulpsignaal v(k) en met een uitgangsklem 6. De uitgangsklem 6 van de processorketen 7 is gekoppeld met het medium 3.

De ontvanger 2 omvat een vertragingsketen 9 met een vertragingstijd *£, alsmede een decoder in de vorm van een processorketen 10. De ingangsklemmen van deze beide ketens zijn met elkaar verbonden en ingericht om het door het medium 3 afgegeven digitale samengestelde signaal te ontvangen. Aan de uitgangsklem van de vertragingsketen 9 is, zoals onderstaand zal worden toegelicht, het hoofdsignaal weer beschikbaar in de vorm van een signaal u'(k) en aan de uitgangsklem van processorketen 10 is het hulpsignaal beschikbaar in de vorm van een signaal v'(k).

De werking van het systeem volgens fig. 1 is als volgt.

Aan de ingangsklem van de zender 1 worden opeenvolgende monsters van het signaal u(k) aangeboden. B.v. in het geval van een volgens de compact disc standaard gevormd audiosignaal bestaat ieder signaalmonster uit 1b' bits en is de bemonsterfrequentie 44,1 kHz. In de processorketen 7 wordt op grond van de gekozen wijze van toevoegen van het hulpsignaal v(k) d.w.z. door middel van temporele maskering of door simultane maskering met behulp van frequentie sub-banden of door een combinatie van beiden, bepaald hoeveel informatie van het signaal v(k) aan ieder monster van het signaal u(k) kan worden toegevoegd. Indien gebruik gemaakt wordt van temporele maskering kan dit zijn in de tijden kort voor en/of kort na een luide passage in het signaal u(k) en in het geval gekozen wordt voor simultane maskering door het opdelen in frequentie sub-banden zal aan ieder signaalmonster van het signaal u(k) in principe informatie omtrent het signaal v(k) kunnen worden toegevoegd. Zoals eerder vermeld is ook een combinatie van beide typen maskering mogelijk. Het samengestelde uitgangssignaal van de processorketen 7, wordt in een omzetketen 29 weer omgezet in het tevoren bepaalde formaat van het digitale hoofdsignaal en toegevoegd aan het medium 3.

In de ontvanger 2 wordt het ontvangen signaal in processorketen 10 onderworpen aan een decodeerbewerking om zo de signalen u(k) en v(k) weer te splitsen, waarbij aan de uitgang van keten 10 het signaal v'(k) ter beschikking staat, terwijl via vertragingsketen 9, waarvan de vertraging gelijk is aan die welke wordt geproduceerd door de processorketen 10, het signaal u'(k) synchroon met het signaal v'(k) beschikbaar is.

In het hierna volgende zal meer gedetailleerd de opbouw van de processorketens 7 en 10 worden toegelicht.

De processorketen 7 bevat filterbanken 22 en 23 voor het met bemonsterfrequentieverlaging opdelen van resp. het signaal u(k) en het signaal v(k) in P opeenvolgende sub-banden, waarvan de bandbreedten bij benadering corresponderen met de kritieke bandbreedten van het menselijk oor in de respectieve frequentiebanden. De toepassing en opbouw van dergelijke filterbanken is wel bekend uit b.v. het bovengenoemde artikel van Krasner en het hoofdstuk "Sub-band coding" in het boek "Digital Coding of Wave Forms" van N.S. Jayant en P. Noll, Prentice Hall Inc., Englewood Cliffs, New Jersey, 1984, biz. 486-509,

Elk van de P sub-bandsignalen van filterbank 22 wordt toegevoerd aan een adaptieve kwantisator 24(p), met 1 < p < P, terwijl elk sub-banduitgangsignaal van filterbank 23 wordt toegevoerd aan een verzwakker 25(p), met 1 1 p <. P. De uitgangssignalen van de sommeerketen 26(p) worden nu toegevoerd aan een synthese filterbank 27 waarin de P sub-banden worden samengevoegd tot een signaal met dezelfde bandbreedte als de oorspronkelijke signalen u(k) en v(k). Het uitgangssignaal van de synthesefilterbank 27 wordt in een omzetketen 29 gecodeerd in een digitaal signaal met een tevoren bepaald formaat, b.v. 16 bits, en als samengesteld signaal s(k) toegevoerd aan het medium 3.

Wanneer het aantal kwantisatieniveaus per frequentieband in de zender 2 op juiste wijze is gekozen is in het aan het medium 3 toegevoerde digitale signaal niets te bemerken van het toevoegen van het signaal v(k), mits is voldaan aan de voorwaarde dat de amplitude van een toe te voegen hulpsignaalmonster in iedere freguentie-sub-band voor ieder monster van up(k) kleiner is dan q/2, waarbij q de kwantisatiestap van dat monster is.

Aan de ontvangzijde kan nu een niet aangepast apparaat rechtstreeks, zonder enige aanpassing, het oorspronkelijke signaal u(k) worden weergegeven, omdat in het samengestelde digitale signaal s(k) de extra informatie van het signaal v(k) niet hoorbaar is, omdat dit door het signaal u(k) gemaskeerd wordt.

Een ontvanger die wel geschikt is voor het ontvangen van zowel het signaal u{k) als het signaal v(k), b.v. een D2MAC televisie-ontvanger met surround-sound weergavemogelijkheid, is echter voorzien van een filterbank 31 die op dezelfde wijze is opgebouwd als de filterbank 22. Deze filterbank 31 splitst het ontvangen samengestelde signaal s(k) weer in P sub-banden met dezelfde bandbreedten en centrale frequenties als de sub-banden van de filterbank 22. Elk van deze sub-band signalen wordt toegevoegd aan een adaptieve kwantisator 33(p), met 1 < p < P. Bij een juiste dimensionering van deze kwantisator wordt uit elk van de P sub-banden na kwantisering weer voor iedere sub-band het signaal up(k) verkregen. Door elk van de sub-bandsignalen up(k) in een aftrekketen 34(p) af te trekken van het samengestelde sub-bandsignaal sp(k) wordt voor iedere sub-band p het signaal vp(k) verkregen. Elk van deze signalen vp(k) wordt in een versterker 35(p), «et 1 < p < P, weer versterkt met een faktor G die dezelfde is als die welke in de coder voor het verzwakken van die desbetreffende sub-band is gebruikt en vervolgens worden deze weer op schaal gebrachte signalen vp(k) toegevoerd aan een synthesefilterbank 36 die uit de afzonderlijke sub-banden vp(k) het signaal v'(k) reconstrueert. Het signaal u'(k) is, zoals gezegd, rechtstreeks af te leiden uit het samengestelde signaal s(k} en behoeft, indien men wenst dat het hoofd- en het hulpsignaal synchroon zijn, slechts in een vertragingsketen 9 te worden vertraagd over een tijd die gelijk is aan de door de processorketen 10 geïntroduceerde vertragingstijd.

In het geval van een televisiezend-ontvangstelsel met surround-sound weergavemogelijkheden kunnen in het linker kanaal de signalen u(k) en v(k) resp. de digitale weergave van b.v. het signaal LV + LA en het signaal LA zijn. Een onaangepaste ontvanger ontvangt nu het volledige geluidssignaal LV + LA en kan dit zonder meer weergeven, terwijl in een aangepaste ontvanger, na splitsing van u(k) en v(k) met behulp van een aftrekschakeling de signalen LA en LV gescheiden aan de desbetreffende weergeefkanalen kunnen worden toegevoerd.

In het hiernavolgende zal worden besproken op welke wijze de adaptieve kwantisatoren 24(p) en 33(p) in de zender en ontvanger van het stelsel volgens fig. 1 kunnen worden ingericht om op een eenduidige wijze een adaptieve kwantisatie te verkrijgen voor elk van de sub-band signalen. Hiertoe wordt voor elk van de sub-banden tevoren bepaald hoeveel kwantisatiestappen gewenst zijn, dit aantal i(p) is voor elk van de sub-banden constant.

In verband met de wens dat de kwantisatie adaptief is dienen de kwantiesatiestappen ongeveer in verhouding tot de signaalgrootte te worden gekozen. Hiertoe wordt de amplitude-as opgedeeld in trajecten T, waarbij, indien de amplitude van een monster van het signaal u(k) in een bepaald traject Tn, met n een geheel getal, valt, de kwantisatiestappen voor dat monster een bepaalde grootte hebben die gelijk is aan de groote van het traject TR, Het kwantisatieniveau wordt midden in genoemd traject gelegd, opdat het hulpsignaal v(k) naar weerszijden toe ten opzichte van het kwantisatieniveau even ver kan worden uitgestuurd, zonder dat het samengestelde signaal sp(k) in een ander kwantisatietraject valt.

Omdat men de kwantisatiestappen in verhouding tot de maximale signaalgrootte wenst te kiezen en het aantal kwantisatiestappen vast is, dienen de grootten van de trajecten T die steeds de grootte van de kwantisatiestap bepalen, evenredig met de amplitude toe te nemen. Bij voorkeur is het verloop van de trajectgrootten daarom exponentieel, waarbij ieder traject loopt van a^n“^2^ tot a^n+^2^ met a een constante en n een geheel getal. Het bij een bepaald traject Tn behorende kwantisatieniveau is dan 1/2 (an+1^2 + an~1^2).

Fig. 2 geeft een amplitude-as weer waarop schematisch de verdeling van de kwantisatieniveaus volgens het uitvoeringsvoorbeeld getoond is. Afhankelijk van de absolute waarde van de maximale amplitude ö(k) van het signaal u(k) is de kwantisatiestap gelijk aan de grootte van het traject waarin ü(k) valt en dus aan a(n+V2) _ a(n-1/2)_

De keuze van de waarde van de factor a is in dit geval vrij. Het is echter dikwijls gewenst dat ook de waarde 0 een kwantisatieniveau is, omdat het dan o.m. niet uitmaakt of het maximum van het signaalniveau van u(k) positief of negatief is, terwijl tevens voorkomen wordt dat relatief kleine signaal amplitudes op een aanzienlijk hoger kwantisatieniveau worden gekwantiseerd. Dit levert dan de extra eis dat het gekozen kwantisatieniveau een geheel aantal malen de kwantisatiestap is. Deze eis beperkt de keuze van de constante a tot a = (2k + 1)/(2k - 1) met k = 1,2, ...; d.w.z. a = 3; a = 5/3; a = 7/5 ... etc.

Het gevolg van de keuze van de kwantisatiestappen volgens deze voorkeursuitvoeringsvorm is dat in de decodeerinrichting altijd uit het samengestelde signaal s(k) op eenduidige wijze het signaal vp(k) kan worden teruggevonden, omdat bij een bepaalde signaalamplitude altijd tot hetzelfde kwantisatieniveau wordt besloten. Wanneer dit kwantisatieniveau en dus up(k) bepaald is, kan het worden afgetrokken van het samengestelde signaal om zo het signaal vp(k) te bepalen.

Voor het besturen van resp. de kwantisatoren 24(p) en 32(p) is in processorketen 7 voorzien in kwantisatiestapbepalingsketens 28(p) en in processorketen 10 in kwantiesatiestapbepalingsketens 32, de opbouw van deze ketens is in principe identiek. De ketens 28(p) en 32(p) bevatten resp. geheugensecties 28'(p) en 32'(p) waarin voor iedere sub-band de tevoren bepaalde waarde voor het grondtal a is opgeslagen, die per sub-band kan verschillen. De ketens 28(p) en 32(p) berekenen aan de hand van de bovenstaand beschreven kwantiesatieprocedure voor ieder monster van up(k) resp. sp(k) de grootte van de kwantisatiestap en geven deze via een uitgang af aan resp. de kwantisatoren 24(p) en 33(p). Een van de waarde van a in de resp. geheugensecties 25'(p) en 32'(p) afgeleide waarde wordt tevens toegevoerd aan een stuuringang van de respectieve verzwakkers 25(p) en van de respectieve versterkers 35(p) om de signalen vp(k) resp. met een faktor G te verzwakken en te versterken. De van de waarde van a afgeleide verzwakking - resp. versterkingsfactor G bedraagt 2a/(a-1). Men weet immers dat ü(k), de maximale amplitude van het signaal u(k), ten hoogste gelijk is aan a(n+1/2) terwijl de maximale toelaatbare amplitude v(k) van het hulpsignaal v(k) dan gelijk is aan 1/2 [a(n+V2) _ a(n-1/2)j_ Er geldt nu ü(k)/v(k) = 2a/(a-1). Mits er nu van te voren voor wordt gezorgd dat altijd geldt v(k) < ü(k), hetgeen in de praktijk zonder problemen te realiseren is, is het altijd zeker dat v(k) < q/2 indien men voor de faktor G kiest G = 2a/(a-1). In praktische gevallen is dikwijls reeds automatisch voldaan aan de voorwaarde v(k) < ü(k), door de relatie die tussen deze beide signalen bestaat.

Om te voorkomen dat v(k) toch op de een of andere wijze de waarde q/2 overschrijdt, kan in de uitgangsleiding van iedere ver-zwakker 25(p) voorzien zijn in de in fig. 1 in stippellijn getoonde begrenzer 30(p) die informatie omtrent de in te stellen begrenzings-waarde ontvangt van de ketens 28(p) en die het uitgangssignaal van de verzwakker 25(p) begrenst op ten hoogste q/2.

In het geval gekozen wordt voor simultane maskering samen met temporele maskering, bevatten de ketens 28(p) en 32(p) de benodigde circuits om het huidige monster van up(k) te vergelijken met een of meer voorafgaande monsters om, in het geval het huidige monster een lagere amplitude bezit dan de amplitude van een of meer van de voorafgaande monsters te besluiten tot een grotere kwantisatiestap op grond van tevoren opgeslagen kennis omtrent het verloop van de temporele maskeringskromme die behoort bij een bepaalde maximum amplitude van up(k).

In het geval van blokkwantisatie dient tussen elk van de P uitgangen van de filterbank 22 en de ingang van de bijbehorende kwantisator 24(p) te zijn voorzien in een bufferketen, die steeds een blok van M signaal monsters opslaat, waarbij de maximale amplitude in ieder blok wordt bepaald en wordt gebruikt voor het bepalen van de kwantisatiestap voor het gehele blok.

Tenslotte wordt nog opgemerkt dat ook nog extra ruimte voor het toevoegen van v(k) in een sub-band p gevonden kan worden, door ook naar het amplitudeverloop in aangrenzende sub-banden te kijken. Indien in een aangrenzende sub-band een grote amplitude van u(k) optreedt terwijl in de sub-band p de amplitude van u(k) zeer gering of zelfs nul is, kan op grond van de maskeringseigenschappen van het signaal in deze aangrenzende sub-band besloten worden in sub-band p toch een bepaalde hoeveelheid van het signaal v(k) toe te laten.

Verder wordt er nog op gewezen dat aan de uitgang van de kwantisatoren 33(p) een signaal up(k) beschikbaar is dat in principe een geringere kwantiseringsruis bezit dan het signaal s(k) zodat in een van een decoder voorziene ontvanger met behulp van een extra synthesefilter een betere replica van het signaal u(k) van deze uitgangen kan worden afgeleid.

Claims (10)

1. Coder om extra informatie in de vorm van een hulpsignaal op te nemen in een digitaal audiosignaal met een tevoren bepaald formaat, met het kenmerk, dat de coder is voorzien van middelen voor het analyseren van het digitale signaal, van middelen voor het op eenduidige wijze kwantiseren van het geanalyseerde digitale signaal en van middelen voor het op grond van de akoestische eigenschappen van het menselijk oor bepalen van de hoeveelheid extra informatie die aan het gekwantiseerde digitale signaal kan worden toegevoegd zonder dat deze extra informatie bij een ongemodificeerde detectie hoorbaar is; van middelen voor het sommeren van de extra informatie en het gekwantiseerde digitale signaal tot een samengesteld signaal en van middelen om het samengestelde signaal weer om te zetten in een digitaal signaal met het tevoren bepaalde formaat.

2. Coder volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de middelen voor het analyseren van het digitale signaal analysefiltermiddelen omvatten voor het in responsie op het digitale signaal opwekken van een aantal van P sub-bandsignalen, welke analysefiltermiddelen de freguentieband van het digitale signaal volgens een filtermethode met bemonsterfrequentieverlaging opdelen in opeenvolgende sub-banden met bandnummers p (1 <. p < P), waarbij voor elk van de respectieve sub-banden is voorzien in de middelen voor het op een eenduidige wijze kwantiseren van het digitale signaal en in middelen voor het sommeren van de respectieve gekwantiseerde sub-band signalen en het hulpsignaal voor het vormen van P samengestelde sub-bandsignalen en dat is voorzien in synthesefiltermiddelen voor het in responsie op de samengestelde sub-band signalen construeren van een replica van het samengestelde signaal, welke synthesemiddelen de sub-banden volgens een met de opdeling in de analysefiltermiddelen corresponderende filtermethode met bemonsterfrequentie-verhoging samenvoegen.

3. Coder volgens conclusie 2, met het kenmerk, dat het hulpsignaal een digitaal audiosignaal is en dat is voorzien in analysefiltermiddelen voor het in responsie op het hulpsignaal opwekken van een aantal van P sub-band signalen, welke analysefiltermiddelen de frequentieband van het hulpsignaal volgens een filtermethode met bemonsterfrequentie-verlaging opdelen in opeenvolgende sub-banden met bandnummers p (1 <. p <. P).

4. Coder volgens conclusie 2 of 3, met het kenmerk, dat de bandbreedten van de sub-banden bij benadering corresponderen met de kritieke bandbreedten van het menselijk oor in de respectieve frequentiebereiken.

5. Coder volgens conclusie 2, 3 of 4, met het kenmerk, dat i de middelen voor het op eenduidige wijze kwantiseren van het digitale signaal zijn ingericht voor het adaptief kwantiseren van dit signaal en dat per sub-band de grootte van de kwantisatiestap afhankelijk is van de amplitude van monster van het digitale signaal, waarbij tussen de mogelijke opeenvolgende stappen een exponentieel verband, met een tevoren bepaald grondtal a bestaat.

6. Coder volgens conclusie 5, met het kenmerk, dat de grootte van de kwantisatiestap van een te kwantiseren monster tevens afhankelijk is van de grootte van tenminste een voorafgaand monster.

7. Coder volgens conclusie 5 of 6, met het kenmerk, dat voorzien is in middelen om ieder sub-band signaal van het hulpsignaal te verzwakken met een faktor G, waarvoor geldt G = 2a/(a-1).

8. Decoder te gebruiken in samenwerking met een coder volgens conclusies 3 t/m 7, met het kenmerk, dat de decoder is voorzien van analysefiltermiddelen voor het in responsie op het samengestelde signaal opwekken van een aantal samengestelde sub-band signalen, welke analysefiltermiddelen de frequentieband van het samengestelde signaal volgens een filtermethode met bemonsterfrequentie-verlaging opdelen in opeenvolgende sub-banden met bandnummers p (1 < p < P), waarbij de bandbreedten van de sub-banden corresponderen met die van de analysefiltermiddelen in de zender; van middelen voor het op een eenduidige wijze kwantiseren van de samengestelde sub-band signalen; in middelen voor het aftrekken van de respectieve gekwantiseerde sub-band signalen van de overeenkomstige sub-band signalen van het samengestelde signaal voor het vormen van sub-band verschilsignalen en in synthesefiltermiddelen voor het in responsie op de sub-band verschilsignalen construeren van een replica van het hulpsignaal, welke synthesemiddelen de sub-banden volgens een met de opdeling in de analysefiltermiddelen corresponderende filtermethode met bemonsterfrequentie-verhoging samenvoegen.

9. Decoder volgens conclusie 8, met het kenmerk, dat de middelen voor het op eenduidige wijze kwantiseren van het digitale signaal zijn ingericht voor het adaptief kwantiseren van dit signaal en, dat per sub-band de grootte van de kwantisatiestap afhankelijk is van de amplitude van monster van het digitale signaal, waarbij tussen de mogelijke opeenvolgende stappen een exponentieel verband, met een tevoren bepaald grondtal a bestaat.

10. Decoder volgens conclusie 9, met het kenmerk, dat voorzien is in middelen om ieder sub-band verschilsignaal te versterken met faktor G, waarvoor geldt G = 2a/(a-1).