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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren
zum Formen eines digitalen Audiosignals. Gemäß einem weiteren Aspekt betrifft
die vorliegende Erfindung auch die Verwendung der Vorrichtung sowie
einen digitalen Tonträger,
auf dem ein erfindungsgemäß geformtes
Audiosignal gespeichert ist.
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Ende
der 70er Jahre wurde die Compact Disk (CD) entwickelt und im Jahre
1981 erstmals öffentlich
vorgestellt. Inzwischen hat sich die CD zum Standard für die digitale
Speicherung von Audiosignalen entwickelt und wurde bislang mehr
als 100 Millionen mal verkauft. Aufgrund der digitalen Speicherung
der Audiodaten unterliegt das von einer CD ausgelesene Signal keiner
elektronischen bzw. mechanischen Verzerrung, wie sie etwa bei der
analogen Abtastung einer Schallplatte auftritt. Entgegen den objektiv
physikalischen Vorteilen der Klangspeicherung auf CD wird jedoch
von vielen Hörern
der Klang einer Schallplatte als „lebendiger” und „wärmer” empfunden.
Dies mag zum einen auf nostalgischen Aspekten beruhen, da die Klangvorstellung
eines Hörers durch
seine Hörgewohnheiten
geprägt
wird. Zum anderen können
aber auch psychoakustische Effekte zur Bevorzugung des Schallplattenklangs
führen.
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Die
US 6,504,935 beschreibt
die Modellierung harmonischer Verzerrungen mittels eines Synthesizers.
Gemäß der
US 6,504,935 wird die harmonische
nichtlineare Verzerrung eines analogen Geräts, etwa eines Röhrenverstärkers, simuliert.
Dazu wird zunächst
das Verzerrungsspektrum des Geräts aufgenommen,
indem ein reines Sinussignal an den Geräteeingang angelegt und das
am Geräteausgang anliegende
Signal einer Spektralanalyse unterzogen wird. Aus den so ermittelten
Amplituden- und Phasenparametern wird dann das mathematische Verzerrungsmodell
erstellt.
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Der
Fachartikel „Wave
digital simulation of a vacuum-tube amplifier” von Karjalainen und Pakarinen,
Internat. Conf. On Acoustics, Speech and Signal Processing, Helsinki,
2006, ICASSP 2006 Proceedings, Bd. 5, Mai 2006, Seiten V-153 bis
V-156, ISBN: 1-4244-0469-X, beschreibt ein Verfahren zur Simulation
analoger Röhrenverstärker auf
einem digitalen Signal. Als Lösung
schlägt
wird der Einsatz von speziell angepaßten digitalen Filtern (WDFs)
vorgeschlagen.
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Im
Hinblick auf die oben genannten Nachteile des Standes der Technik
schlägt
die vorliegende Erfindung ein Verfahren gemäß Anspruch 1 sowie Vorrichtungen
gemäß den Ansprüchen 15,
23 und 24 vor. Weitere Aspekte, Vorteile und Einzelheiten der vorliegenden
Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung sowie
den beigefügten
Zeichnungen.
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Gemäß einem
ersten Ausführungsbeispiel der
vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Formen eines digitalen
Audiosignals zum Anpassen des digitalen Audiosignals an das Klangbild
einer Schallplatte bereitgestellt. Das Verfahren umfaßt die Schritte:
Bereitstellen eines digitalen Audioeingangssignals; Ausführen zumindest
eines der folgenden Schritte zum Formen eines digitalen Audioausgangssignals;
Einfügen
eines Echos in das digitale Audioeingangssignal; Einfügen eines
Kanalübersprechens in
das digitale Audioeingangssignal; Einfügen einer Verzerrung in das
digitale Audioeingangssignal; Filter des digitalen Audioeingangssignals
mit einem Tiefpaßfilter;
Durchführen
einer Dynamikkompression auf dem digitalen Audioeingangssignal;
sowie den Schritt des Bereitstellens des geformten digitalen Audioausgangssignals.
Insbesondere kann dabei das in einem der Teilschritte erhaltene
Signal als Audioeingangssignal für
den nächsten
Teilschritt verwendet werden. Weiterhin ist es möglich, sämtliche obigen Schritte auszuführen, insbesondere
auch in der angegebenen Reihenfolge.
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Mittels
des Verfahrens gemäß dem oben
beschrieben Ausführungsbeispiel
kann das digitale Audioeingangssignal so geformt werden, daß das digitale
Ausgangssignal dem Klangbild einer Schallplatte entspricht oder
zumindest ähnelt.
Aus technischer Sicht kommt dies zwar einer Verschlechterung der
Signaleigenschaften des digitalen Eingangssignals gleich, aus den
in der Einleitung erwähnten
nostalgischen bzw. psychoakustischen Gründen kann sich der tatsächliche
Höreindruck
jedoch verbessern.
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Gemäß einem
weiteren Ausführungsbeispiel der
vorliegenden Erfindung wird eine Vorrichtung zum Formen eines digitalen
Audiosignals bereitgestellt. Dabei umfaßt die Vorrichtung einen Eingang
für ein
digitales Audioeingangssignal, einen Ausgang für ein geformtes digitales Audioausgangssignal,
sowie mindestens eines der folgenden Mittel: ein Mittel zum Einfügen eines
Echos in das digitale Audioeingangssignal; ein Mittel zum Einfügen eines
Kanalübersprechens
in das digitale Audioeingangssignal; ein Mittel zum Einfügen einer
Verzerrung in das digitale Audioeingangssignal; einen Tiefpaßfilter
zum Filtern des digitalen Audioeingangssignals; eine Dynamikkompressor
zum Durchführen
einer Dynamikkompression auf dem digitalen Audioeingangssignal.
Typischerweise werden eines oder mehrere der Mittel durch einen
digitalen Signalprozessor (DSP) realisiert.
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Die
Vorrichtung gemäß dem obigen
Ausführungsbeispiel
ist geeignet, ein am Eingang bereitgestelltes digitales Audiosignal
so zu formen, daß das digitale
Ausgangssignal dem Klangbild einer Schallplatte entspricht oder
zumindest ähnelt.
Aus technischer Sicht kommt dies zwar einer Verschlechterung der
Signaleigenschaften des digitalen Eingangssignals gleich, aus den
in der Einleitung erwähnten
nostalgischen bzw. psychoakustischen Gründen kann sich der tatsächliche
Höreindruck
jedoch verbessern.
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Gemäß einer
Weiterbildung des obigen Ausführungsbeispiels
umfaßt
die Vorrichtung weiterhin zumindest einen der folgenden Regler:
einen Regler zum Einstellen einer zeitlichen Verzögerung des Echos;
einen Regler zum Einstellen der Übersprechdämpfung des
Kanalübersprechens;
einen Regler zum Einstellen einer Verzerrerkurve; einen Regler zum
Einstellen einer Flankensteilheit und/oder einer Einsetzfrequenz
des Tiefpaßfilters;
einen Regler zum Einstellen einer Kennlinie des Dynamikkompressors.
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Auf
diese Weise wird es einem Hörer
ermöglicht,
das Klangbild seinen persönlichen
Vorlieben anzupassen.
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Anhand
der beigefügten
Zeichnungen werden nun Ausführungsbeispiele
der vorliegenden Erfindung erläutert.
Dabei zeigt:
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1 eine
Vorrichtung gemäß einem
ersten Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung.
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2 eine
Vorrichtung gemäß einem
weiteren Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung.
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3 eine
Vorrichtung gemäß noch einem weiteren
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung.
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4 eine
Vorrichtung gemäß einem
anderen Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung.
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1 zeigt
eine Vorrichtung 100 gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung. Die Vorrichtung 100 ist eingerichtet
zum Formen eines digitalen Audiosignals. Dabei weist die Vorrichtung 100 einen
Eingang 110 für
ein digitales Audioeingangssignal sowie einen Ausgang 120 für ein geformtes
digitales Audioausgangssignal aus. Weiterhin umfaßt die Vorrichtung
einen digitalen Signalprozessor (DSP) 130. Ein in den Eingang 120 eingespeistes
digitales Audioeingangssignal wird an den DSP übertragen, der das Signal zu
einem gewünschten
digitalen Ausgangssignal formt. Das an dem Eingang 120 anliegende
Audioeingangssignal ist beispielsweise ein von einer CD ausgelesenes
Audiosignal. Das digitale Audioeingangssignal weist daher das typische
Klangbild einer CD mit geringem Klirrfaktor, sehr guter Dynamik,
sehr guter Kanaltrennung sowie linearem Frequenzgang auf. Die Vorrichtung 100 und
insbesondere der DSP 130 sind nun so eingerichtet, daß sie dieses
CD-Klangbild umformen, um ein Audioausgangssignal zu erzeugen, das
dem Klangbild einer Schallplatte entspricht oder zumindest ähnelt. Dazu
umfaßt
die Vorrichtung 100 bzw. der DSP 130 ein Mittel
m1 zum Einfügen
eines Echos in das digitale Audioeingangssignal und ein Mittel m2 zum
Einfügen
eines Kanalübersprechens
in das digitale Audioeingangssignal und/oder ein Mittel m3 zum Einfügen einer
Verzerrung in das digitale Audioeingangssignal und ein Tiefpaßfilter
m4 zum Filtern des digitalen Audioeingangssignals und/oder einen
Dynamikkompressor m5 zum Durchführen
einer Dynamikkompression auf dem digitalen Audioeingangssignal.
Mit Hilfe dieser Mittel kann das digitale Audioeingangssignal geformt
werden, so daß das
am Ausgang 120 bereitgestellte digitale Ausgangssignal
ein schallplattenähnliches
Klangbild aufweist.
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2 zeigt
eine Vorrichtung 100 gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung. Darin sind sämtliche oben beschriebenen Mittel
m1 bis m5 in der Vorrichtung bereitgestellt. Die Mittel sind so
miteinander verbunden, daß das
Mittel m1 zum Einfügen
eines Echos als Eingang das digitale Audioeingangssignal erhält. Das
Mittel m1 fügt dann
dem Signal ein Echo hinzu. Dabei kann dem Audioeingangssignal ein
Nachecho oder ein Vorecho oder auch sowohl ein Nachecho als auch
ein Vorecho hinzugefügt
werden. Werden Vor- und Nachecho hinzugefügt, so ist typischerweise die
zeitliche Verschiebung von Vor und Nachecho gleich. Bei Bedarf kann die
zeitliche Verschiebung jedoch auch für Vor- und Nachecho unterschiedlich gewählt werden.
Typische zeitliche Verschiebungen liegen dabei im Bereich von 1
Sekunde bis 5 Sekunden. Um die für
das Erzeugen des Echos erforderliche Speicherung der Audiodaten zu
gewährleisten,
kann das Mittel m1 zum Einfügen eines
Echos in das digitale Audioeingangssignal einen Ping-Pong-Puffer
oder einen Ringspeicher umfassen. Das mit einem Echo versehene Ausgangssignal
des Mittels m1 wird dann in das Mittel m2 zum Einfügen eines
Kanalübersprechens
eingespeist. Typischerweise ist das Audiosignal ein Stereosignal ohne
Kanalübersprechen.
Durch das Mittel m2 kann jedoch ein Kanalübersprechen mit einer Übersprechdämpfung im
Bereich von 15 dB bis 75 dB eingefügt werden. Das so modifizierte
Audiosignal wird anschließend
in ein Mittel m3 zum Einfügen
einer Verzerrung eingespeist. Typischerweise wird hierbei eine quadratische
oder kubische Funktion als Verzerrerkennlinie verwendet, um eine
dem Klangbild der Schallplatte ähnliche
Verzerrung zu erreichen. Das solchermaßen modifizierte Audiosignal
wird anschließend
in ein Tiefpaßfilter
m4 eingespeist. Typischerweise setzt das Tiefpaßfilter im Bereich von 15 kHz
bis 20 kHz ein. Außerdem
weist das Tiefpaßfilter typischerweise
eine Flankensteilheit im Bereich von 15 dB/dec bis 40 dB/dec auf.
Auf diese Weise kann der Frequenzgang einer Schallplatte simuliert
werden. Das so erhaltene Audiosignal wird anschließend in
einen Dynamikkompressor m5 eingespeist. Dieser senkt die bei der
CD sehr gute Dynamik, also der Lautstärkenabstand zwischen den lautesten
und den leisesten Passagen, auf einen Bereich ab, wie er typischerweise
im Klangbild von Schallplatten erwartet werden kann. Typischerweise
weist der Dynamikkompressor eine stückweise lineare Kennlinie auf. Auch
wenn in 2 sämtliche Mittel m1 bis m5 dargestellt
sind, so wird doch darauf hingewiesen, daß einzelne dieser Mittel bei
Bedarf weggelassen oder abgeschaltet werden können. Weiterhin wird darauf hingewiesen
daß das
Echo und/oder das Kanalübersprechen
und/oder die Verzerrung und/oder die Dynamikkompression sowohl frequenzabhängig als auch
frequenzunabhängig
durchgeführt
werden können.
So kann eine frequenzunabhängige
Veränderung
gegebenenfalls leichter zu realisieren sein, jedoch wird typischerweise
eine frequenzabhängige Veränderung
ein „realistischeres” Hörergebnis
erzielen.
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Die
Vorrichtung gemäß dem obigen
Ausführungsbeispiel
ist geeignet, ein am Eingang bereitgestelltes digitales Audiosignal
so zu formen, daß das digitale
Ausgangssignal dem Klangbild einer Schallplatte entspricht oder
zumindest ähnelt.
Aus technischer Sicht kommt dies zwar einer Verschlechterung der
Signaleigenschaften des digitalen Eingangssignals gleich, aus den
in der Einleitung erwähnten
nostalgischen bzw. psychoakustischen Gründen kann sich der tatsächliche
Höreindruck
jedoch verbessern.
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3 zeigt
eine Vorrichtung 100 gemäß noch einem weiteren Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung. Die Vorrichtung 100 gemäß 3 unterscheidet
sich von dem Ausführungsbeispiel
gemäß 2,
indem eine das Audioeingangssignal parallel anstatt sequentiell
verarbeitet wird. Beispielsweise kann eine solche Lösung über die
Implementation eines Multiplex-Verfahrens realisiert werden. Jedoch
formt auch die Vorrichtung gemäß dem in 3 gezeigten
Ausführungsbeispiel
das digitale Audioeingangssignal in ein digitales Audioausgangssignal
mit einem schallplattenählichen
Klangbild um.
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4 zeigt
eine Vorrichtung gemäß einem anderen
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung. Darin umfaßt die Vorrichtung 100 weiterhin
einen Regler r1 zum Einstellen einer zeitlichen Verzögerung des
Echos, einen Regler r2 zum Einstellen der Übersprechdämpfung des Kanalübersprechens, einen
Regler r3 zum Einstellen einer Verzerrerkurve, einen Regler r4 zum
Einstellen einer Flankensteilheit und/oder einer Einsetzfrequenz
des Tiefpaßfilters
sowie einen Regler r5 zum Einstellen einer Kennlinie des Dynamikkompressors.
Obwohl für
jedes der Mittel m1 bis m5 ein jeweils eigener Regler r1 bis r5
dargestellt ist, können
einige der Regler auch weggelassen oder zusammengefaßt werden.
Darüber
hinaus können
die Regler auch zum selektiven Abschalten einzelner Mittel dienen.
Durch das Bereitstellen der Regler r1 bis r5 wird es einem Hörer ermöglicht,
das von der Vorrichtung 100 erzeugte Klangbild seinen persönlichen
Vorlieben anzupassen.
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Weiterhin
kann die Vorrichtung einen Digital-Analog-Wandler (nicht gezeigt)
umfassen, der das an dem Ausgang 120 bereitgestellte digitale
Audiosignal in ein Analogsignal umwandelt. Der D/A-Wandler kann
auch in den DSP 130 integriert sein.
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Die
Vorrichtung gemäß den oben
beschriebenen Ausführungsbeispielen
ist geeignet, ein Verfahren zum Formen eines digitalen Audiosignals durchzuführen. Bei
einem solchen Verfahren wird der „harte” und „kalte” CD-Klang durch die beschriebenen
Schritte des Einfügens
eines Echos und Einfügens
eines Kanalübersprechens
und/oder Einfügens einer
Verzerrung und/oder Filtern des digitalen Signals mit einem Tiefpaßfilter
und Durchführen
einer Dynamikkompression dem „warmen” und „lebendigen” Klangbild
einer Schallplatte angenähert.
Aus technischer Sicht kommt dies zwar einer Verschlechterung der
Signaleigenschaften des digitalen Eingangssignals gleich, aus den
in der Einleitung erwähnten nostalgischen
bzw. psychoakustischen Gründen
kann sich der tatsächliche
Höreindruck
jedoch verbessern.
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Die
Vorrichtungen gemäß den Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung können
beispielsweise als separate Komponenten für Hi-Fi-Anlagen ausgebildet
sein. Ebenfalls können
Vorrichtungen gemäß den Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung in CD-Spieler oder DVD-Spieler integriert sein.
Weiterhin ist es auch denkbar, solche Vorrichtungen in Computer,
digitale Fernseher, MP3-Spieler oder ähnliche Geräte, die mit digitaler Audioinformation
arbeiten, zu integrieren, um ein schallplattenähnliches Klangbild bereitzustellen.
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Darüber hinaus
ist es natürlich
möglich,
ein mittels eines Verfahrens nach einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden
Erfindung geformtes digitales Audiosignal wieder auf einem digitalen
Tonträger, beispielsweise
einer CD, zu speichern. Auf diese Weise kann der so bespielte Tonträger auf
einem herkömmlichen
CD-Spieler abgespielt werden und hat dennoch das Klangbild einer
Schallplatte.
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Die
oben beschriebenen Ausführungsformen verwenden
einen digitalen Signalprozessor zur Realisierung der verschiedenen
Mittel m1 bis m5. Es wird jedoch ausdrücklich darauf hingewiesen,
daß solche Mittel
auch durch einzelne Hardwarekomponenten realisiert werden können. Insbesondere
können
hierbei sowohl digitale elektronische Komponenten, z. B. integrierte
Schaltungen, verwendet werden. Jedoch ist es auch möglich, einige
Komponenten, wie beispielsweise das Mittel m3 zum Einfügen der
Verzerrung, durch analoge Komponenten, wie etwa eine Röhre, zu
realisieren. In diesem Fall wird das digitale Signal vor der analogen
Komponente mittels eines D/A-Wandlers in ein analoges Signal umgewandelt und
nach der Modulation durch die analoge Komponente wieder mittels
eines A/D-Wandlers in ein digitales Signal rückgewandelt.
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Die
vorliegende Erfindung wurde anhand von Ausführungsbeispielen erläutert. Diese
Ausführungsbeispiele
sollten keinesfalls als einschränkend für die vorliegende
Erfindung verstanden werden.
